29.08.2013 Views

ITAP Fizik Olimpiyat Okulu

ITAP Fizik Olimpiyat Okulu

ITAP Fizik Olimpiyat Okulu

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong> 01 Eylül 2010 Deneme Sınavı<br />

(Prof.Dr.Ventsislav Dimitrov)<br />

Konu: Elektrik Devrelerinde İndüktans<br />

Soru 1. Şekildeki gösterilen devrede ilk anda K1 ve K2 anahtarları açıktır. K1 anahtarı<br />

kapatılıyor ve kondansatörün gerilimi U 0 = ε / 2<br />

olduğunda K 2 anahtarı da kapatılıyor. K2 anahtarı<br />

kapatıldığı anda bobinin uçları arasındaki gerilim ne<br />

kadardır? Sistem denge durumuna geldiğinde<br />

kondansatörün gerilimi ne kadardır? (Elektrik<br />

kaynakların iç direncini ihmal ediniz.)<br />

Çözüm: K1 anahtarı kapalı, K2 ise açık iken kondansatör dolmaya başlıyor.<br />

Kirchoff’un kurallarına göre herhangi kapalı bir döngüde voltaj düşümü döngüdeki net<br />

emk’ya eşittir: devredeki sol döngü için (dönme saat boyunca) = ε V V . Ardından<br />

C + R11<br />

K2 anahtarı kapıldığında sağ döngü için ise V L −V R 1 + V 2 = ε<br />

1 R . Fakat K2 kapatıldıktan<br />

1<br />

hemen sonra indüktansın ‘eylemsizliği’ sebebiyle bobinden geçen akım sıfırdır, yani<br />

V 0 veya V = + V = ε + ( ε −V<br />

) .<br />

R2<br />

=<br />

L<br />

ε R 1<br />

1<br />

C<br />

ε<br />

3<br />

O anda V C = olduğuna göre V L = ε (Cevap).<br />

2<br />

2<br />

Bobin ile kondansatör farklı döngülerde olduğuna göre devrede elektrik titreşimi<br />

oluşmuyor, yani devre kısa veya uzun süre sonra denge durumuna geliyor: bu<br />

durumda kondansatör maksimum bir yüke kadar doluyor ve sol döngüde akım<br />

sıfırdır, sağa döngüde ise akım sabit olarak<br />

R R<br />

ε<br />

I = ’ye eşittir. Buna göre<br />

+<br />

εR<br />

1<br />

1 2<br />

VC = ε −V<br />

R11<br />

= ε + IR1<br />

= ε + = ε (Cevap)<br />

R1<br />

+ R2<br />

R1<br />

+ R2<br />

1<br />

2R<br />

+ R<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong><br />

2


Soru2. İndüktansları L1 ve L2 olan bobinler arasında bir ideal diyotla kısa devre<br />

oluşturuyor(şekildeki gibi). İlk anda K anahtarı açık,<br />

kondansatör ise U0 gerilime kadar yüklüdür. Anahtar<br />

kapatılıyor ve bilinen bir sürede kondansatörün gerilimi<br />

sıfır oluyor. Bu anda L1 bobininden geçen akım ne<br />

kadardır? Ardından kondansatör maksimum bir gerilime<br />

kadar yükleniyor. Bu gerilim ne kadardır? Devreden açığa<br />

çıkan ısıyı ihmal ediniz.<br />

Çözüm: Denklemleri daha kısa yazmak için U 1,<br />

C = 1 ve L 1 sırasıyla gerilim,<br />

0 =<br />

sığa ve indüktans birimi olsun. Buna göre akım birimi<br />

1 =<br />

C<br />

I 0 = U 0 oluyor ve<br />

L<br />

1<br />

L2<br />

L =<br />

L<br />

ikinci bobinin indüktansıdır. Anahtar kapatıldığında bobinler ve kondansatör bir<br />

titreşim döngüsü oluşturuyor. İlk anda kondansatör boşalırken diyot D akımın L2’den<br />

geçmesine engel oluyor ve tüm akım L1’den geçmektedir. Enerji koruma yassına<br />

2 2 2<br />

C<br />

göre UC + I L1<br />

= U 0 = 1.<br />

UC sıfır iken I L1<br />

= 1:<br />

boyutlu şekilde I L 1 = I 0 = U 0 (Cevap).<br />

L<br />

L1-L2 döngüsü için her bir anda ε L1<br />

+ ε L2<br />

= 0 (döngüde direnç yok), yani<br />

dI L1<br />

L1<br />

+ L2<br />

dt<br />

dI L2<br />

= 0 buradan<br />

dt<br />

d( I L1<br />

+ LI L2<br />

) = 0 veya I L 1 + LI L2<br />

= sabit . L2 devreye<br />

girmeden bir an önceki durumda (IL1=1, IL2=0 iken) I L 1 + LI L2<br />

devrede rol aldıktan sonra her bir an için:<br />

= 1 = sabit , yani L2<br />

I L1<br />

+ LI L2<br />

= 1.<br />

(1)<br />

Kondansatörün gerimi maksimum iken (yani maksimum yüklü iken) ondan geçen<br />

akım sıfırdır. Bu anda I L1<br />

= I L2<br />

ve Denk(1)’e göre<br />

1<br />

I L1<br />

= I L2<br />

=<br />

1+<br />

L<br />

(2)<br />

Enerji koruma yasasına göre ise<br />

2 2<br />

+ I<br />

2<br />

+ LI<br />

2<br />

= U = 1,<br />

buradan ve Denk(2)’den<br />

2<br />

U C max<br />

1 L<br />

= 1−<br />

= . Boyutlu şekilde<br />

1+<br />

L 1+<br />

L<br />

U C max L1<br />

L2<br />

0<br />

2<br />

U C max = U 0 (Cevap)<br />

L1<br />

+ L2<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong><br />

L<br />

1<br />

1


Soru 3. Devredeki K anahtarı açık iken sığası C=20µF olan kondansatör U0=12V<br />

gerilime kadar yüklüdür. Bobinin indüktansı L=2H, elektrik<br />

kaynağın gerilimi ε=5V, D ise ideal bir diyottur. Anahtar<br />

kapatıldıktan sonra devredeki akımın maksimum değeri ne<br />

kadardır? Devre durgun hale geldiğinde kondansatörün<br />

gerilimi ne kadardır?<br />

Çözüm: Denklemleri daha kısa ve boyutsuz şeklinde yazmak için ε = 1,<br />

C = 1 ve<br />

L = 1 sırasıyla gerilim, sığa ve indüktans birimi olsun. Buna göre<br />

2<br />

E 0 = Cε<br />

, I 0 = ε<br />

C<br />

,ve τ 0 =<br />

L<br />

LC sırasıyla enerji, akım ve zaman birimi oluyor.<br />

Devredeki döngünün yönünü D boyunca alalım (ters yönde diyot akım geçirmiyor).<br />

Buna göre ilk anda kondansatördeki yük q( t = 0)<br />

= −U<br />

0 , akım ise bobinin<br />

eylemsizliğinden dolayı I = q&<br />

( t = 0)<br />

= 0 dır. Anahtar kapalı iken bobindeki gerilim<br />

di<br />

VL = L = q&<br />

& , kondansatördeki ise<br />

dt<br />

q<br />

VC = = q . Kirchoff’un kurallarına göre<br />

C<br />

V L + VC<br />

= −ε<br />

, yani q& & + q = −1.<br />

İlk duruma bakıldığında<br />

⎧q&<br />

& + q = −1<br />

⎪<br />

⎨q<br />

= −U<br />

0<br />

⎪<br />

⎩q&<br />

= 0<br />

(1)<br />

diferansiyel denklemine gelinir. Bu denklemin çözümü<br />

q = −(<br />

( U 0 −1)<br />

cost<br />

+ 1)<br />

Akım ise<br />

(2)<br />

i = q&<br />

= ( U 0 −1)<br />

sin t<br />

(3)<br />

Denk(3)’ye göre akımın maksimum değeri I = U −1)<br />

’ye eşittir. Boyutlu şeklinde<br />

ise I max = ( U 0 − ε )<br />

C<br />

= 7<br />

L<br />

10mA<br />

≈ 0.<br />

022A<br />

(Cevap).<br />

Akım sıfır olduğunda ( t = π anda) devre tıkanıyor (diyot ters yönde akım geçirmez)<br />

ve durgun hale geliyor. Bu durumda = q = −(<br />

− ( U 0 −1)<br />

+ 1)<br />

= U 0 − 2 , boyutlu<br />

şeklinde ise VC = U 0 − 2ε<br />

= 2V<br />

(Cevap)<br />

Bu soru enerji koruma yöntemiyle de çözülebilir.<br />

V C<br />

max<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong><br />

( 0


Soru 4. Sığası C olan boş bir kondansatörün uçları, gerilimi ε ve indüktansı L olan bir<br />

bobinle seri bağlı olan bir elektrik kaynağına bağlanıyor. Bu devrede elektrik titreşimi<br />

oluşuyor. Elektrik akımı sıfır olduğu anda kondansatör devreden çıkarılıyor ve uçların<br />

yerlerini değiştirip yine devreye bağlanıyor. Bu durumda elektrik akımın maksimum<br />

değeri ne kadar olacaktır?<br />

Çözüm: Denklemleri daha kısa ve boyutsuz şeklinde yazmak için ε = 1,<br />

C = 1 ve<br />

L = 1 sırasıyla gerilim, sığa ve indüktans birimi olsun. Buna göre<br />

2<br />

E 0 = Cε<br />

, I 0 = ε<br />

C<br />

,ve τ 0 =<br />

L<br />

LC sırasıyla enerji, akım ve zaman birimi oluyor.<br />

İlk anda kondansatördeki yük q ( t = 0)<br />

= 0 , akım ise bobinin eylemsizliğinden<br />

dolayı I = q&<br />

( t = 0)<br />

= 0 dır. Anahtar kapalı iken bobindeki gerilim<br />

di<br />

VL = L = q&<br />

& ,<br />

dt<br />

q<br />

kondansatördeki ise VC = = q . Kirchoff’un kurallarına göre V L<br />

C<br />

q& & + q = 1.<br />

İlk duruma bakıldığında<br />

+ VC<br />

= ε , yani<br />

⎧q&<br />

& + q = 1<br />

⎪<br />

⎨q<br />

= 0<br />

⎪<br />

⎩q&<br />

= 0<br />

diferansiyel denklemine gelinir. Bu denklemin çözümü<br />

(1)<br />

q = 1− cost<br />

(2)<br />

Akım ise i = q&<br />

= sin t . Buna göre t = nπ<br />

anlarda akım sıfır oluyor, burada n doğal bir<br />

sayıdır.<br />

t = ( 2n1<br />

+ 1)<br />

π = nπ<br />

iken (yani n herhangi bir tek doğal sayı olduğunda)<br />

q = 1 − cost<br />

= 2 ve bu değerin tersi ikinci bağlantıda diferansiyel denklemin ilk koşulu<br />

oluyor:<br />

⎧q&<br />

& + q = 1<br />

⎪<br />

⎨q<br />

= −2<br />

⎪<br />

⎩q&<br />

= 0<br />

(3)<br />

Denk(4)’n çözümü q = 1− 3cost<br />

, akım ise i = q&<br />

= −3sin<br />

t . Buna göre akımın<br />

C<br />

maksimum değeri I max = 3,<br />

boyutlu şeklinde I max = 3ε<br />

. (Cevap)<br />

L<br />

t = 2 n1π<br />

= nπ<br />

iken (yani n herhangi bir çift doğal sayı olduğunda) q = 1 − cost<br />

= 0 ve<br />

yeni durumda diferansiyel denklem Denk(1)’ye özdeştir: çözümü q = 1− cost<br />

, akım<br />

ise i = q&<br />

= sin t . Buna göre bu durumda maksimum akım birdir, boyutlu şekilde ise<br />

I max = ε<br />

C<br />

(Cevap)<br />

L<br />

Bu soru enerji koruma yöntemiyle de çözülebilir.<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong>


Soru 5. Şekildeki devrede K anahtarı kapalıyken serbest elektrik titreşimi<br />

yapılmaktadır. Sığası C1 olan kondansatör gerilimi maksimum<br />

ve U0’a eşit iken K anahtarı açılıyor. Kondansatör C1’de gerilim<br />

sıfır iken devredeki akımın değerini bulunuz. C 2 > C1<br />

.<br />

Çözüm: Denklemleri daha kısa ve boyutsuz şeklinde yazmak için U 0 = 1,<br />

C 1 = 1 ve<br />

L = 1 sırasıyla gerilim, sığa ve indüktans birimi olsun. Buna göre<br />

2<br />

E 0 = C1U<br />

0 , I 0 = U 0<br />

C1<br />

,ve τ 0 =<br />

L<br />

LC1<br />

sırasıyla enerji, akım ve zaman birimi oluyor.<br />

İlk anda C1 kondansatöründeki yük q t = 0)<br />

= C U = 1 = max , akım ise I = q&<br />

( t = 0)<br />

= 0<br />

( 1 0<br />

di<br />

(o anda yük maksimumdur). Anahtar kapalı iken bobindeki gerilim VL = L = q&<br />

& ,<br />

dt<br />

q<br />

kondansatördekiler ise VC 1 =<br />

C<br />

q2<br />

= q , VC 2 =<br />

C<br />

q2<br />

C2<br />

= ’ye eşittir. C = > 1.<br />

Kirchoff’un<br />

C<br />

C<br />

1<br />

q2<br />

kurallarına göre V L + VC1<br />

+ VC<br />

2 = 0 , yani q& & + q + = 0 . Yük koruma yasasına göre<br />

C<br />

− q + q2<br />

= −1(kondansatörlerin<br />

arasındaki bölgede toplam yük ilk yüke, yani -1’re<br />

eşittir) veya<br />

⎧ q −1<br />

⎪q&<br />

& + q + = 0<br />

C<br />

⎪<br />

⎨q<br />

= 1<br />

⎪q&<br />

= 0<br />

⎪<br />

⎩<br />

⇒<br />

⎧ 2 1<br />

⎪q&<br />

& + ω q =<br />

C<br />

⎪<br />

⎨q<br />

= 1<br />

⎪q&<br />

= 0<br />

⎪<br />

⎩<br />

(1)<br />

2 C + 1<br />

diferansiyel denklemine gelinir; burada ω = . Bu denklemin genel çözümüdür.<br />

C<br />

1<br />

+ A ( ω + α ) ve i = q = −ω<br />

Asin(<br />

ωt<br />

+ α )<br />

2<br />

q =<br />

ω C<br />

cos t<br />

& .<br />

1<br />

C<br />

İlk duruma göre (t=0) α = 0 ve q(<br />

t = 0)<br />

= + A = 1,<br />

buradan A = ve<br />

2<br />

ω C<br />

C + 1<br />

C<br />

1<br />

C<br />

q = cos(<br />

ω t)<br />

+ ve i = q&<br />

= −ω<br />

sin(<br />

ωt)<br />

.<br />

C + 1 C + 1<br />

C + 1<br />

(2)<br />

VC = q = 0 iken<br />

1<br />

⎧ 2 1<br />

⎪<br />

cos ωt<br />

= 2<br />

C<br />

⇒ ⎨<br />

⇒ i<br />

2<br />

⎪ 2 C −1<br />

sin ωt<br />

=<br />

⎪<br />

2<br />

⎩ C<br />

Boyutlu şeklinde<br />

i<br />

2<br />

2<br />

2 ⎛ C ⎞<br />

= ω ⎜ ⎟<br />

⎝ C + 1⎠<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

( C −1)(<br />

C + 1)<br />

C + 1 C ( C −1)(<br />

C + 1)<br />

C<br />

2<br />

=<br />

C<br />

⎛ ⎞<br />

⎜ ⎟<br />

⎝ C + 1⎠<br />

( C − C )<br />

2 C2<br />

− C1<br />

C1<br />

2 1 C1<br />

= U 0<br />

, buradan i = U 0<br />

(Cevap)<br />

C L<br />

C L<br />

2<br />

1<br />

C<br />

2<br />

C −1<br />

=<br />

C<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong>


2. Yöntemle Çözüm: Bu soru enerji koruma yöntemiyle çok kısa bir şekilde çözülür.<br />

İlk durumda ( q 1 = 1,<br />

i = 0)<br />

devredeki enerji Ei =<br />

2<br />

q1<br />

C<br />

1<br />

= ,<br />

2<br />

ikinci durumda<br />

( q = ; q = −1)<br />

ise<br />

1<br />

0 2<br />

q<br />

2C<br />

göre E f = Ei<br />

, buradan<br />

( C − C )<br />

2 1 C1<br />

i = U 0<br />

(Cevap)<br />

C L<br />

2<br />

2<br />

1<br />

Li<br />

2<br />

1<br />

2C<br />

1<br />

i<br />

2<br />

E f =<br />

2<br />

2<br />

+<br />

2<br />

= +<br />

2<br />

’ye eşittir. Enerji koruma yasasına<br />

2 1<br />

1 1 2 1 C −1<br />

+ i = ⇒ i = , boyutlu şekilde<br />

2C<br />

2 2 C<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong>


Soru 6. Şekildeki gösterilen devrede K anahtarı ilk anda açıktır. İnduktansı L olan<br />

bobinin direnci r dir. Devredeki diğer dirençlerin<br />

değerleri şekilde verilmiştir. Anahtar kapatıldıktan<br />

sonra AB telinden ne kadar yük geçecek? Tel AB’nin<br />

ve elektrik kaynağının direncini ihmal ediniz.<br />

Çözüm: Denklemleri daha kısa ve boyutsuz şeklinde yazmak için ε = 1,<br />

r = 1 ve<br />

ε L<br />

L = 1 sırasıyla gerilim, direnç ve indüktans birimi olsun. Buna göre I 0 = , T 0 = ,ve<br />

r rR<br />

εL<br />

Q0<br />

= sırasıyla akım, zaman ve yük birimi oluyor.<br />

2<br />

r<br />

L’den geçen akım i1, AB’den ise i olsun. Buna göre R dirençlerinden geçen akım<br />

( i + i1)<br />

, r’den ise ( 2i<br />

+ i1)<br />

’dir. Tel AB’den, L ve r dirençten oluşan döngüde toplam<br />

voltaj düşümü sıfır olduğuna göre<br />

di1<br />

di1<br />

1 di1<br />

1<br />

( 2i<br />

+ i1<br />

) r − i1r<br />

− L = 0 , yani ( 2i<br />

+ i1<br />

) − i1<br />

− = 0 ⇒ i = ⇒ dq = idt = di1<br />

⇒<br />

dt<br />

dt 2 dt<br />

2<br />

1<br />

q = ( i1<br />

f − i1i<br />

)<br />

(1)<br />

2<br />

Denk(1)’de i1f devre durgun durumdayken bobinden geçen akım, i1i ise ilk andaki<br />

akımdır. Bobinin eylemsizliğinden dolayı<br />

i 1 i = 0 . (2)<br />

Devre durgun halinde iken AB’den akım geçmez, diğer akımlar ise sabittir, yani<br />

ε 1<br />

i1 f = =<br />

(3)<br />

R + r 1+<br />

R<br />

1<br />

1 εL<br />

1 εL<br />

Denk(1-3)’ten q = . Boyutlu şeklinde ise q = = . (Cevap)<br />

2<br />

2(<br />

1+<br />

R)<br />

⎛ R ⎞ r ( r + R)<br />

r<br />

⎜1+<br />

⎟<br />

⎝ r ⎠<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong>


Soru 7. Şekildeki gösterilen elektrik titreşimi hafif sönmelidir. Titreşimin sönmemesi<br />

için devrede akım her bir an sıfır iken induktans L çubuk<br />

(titreşimin periyotuna göre) bir şekilde ∆L (∆L


Soru 8. Devredeki K1 ve K2 anahtarları ilk anda açıktır. Önceden K1 kapatılıyor.<br />

İndüktansı L olan bobinden geçen akımın değeri I0<br />

olduğunda K2 anahtarı de kapatılıyor. K2 kapatıldığı<br />

anda bobindeki gerilim ne kadardır? Devre durgun<br />

hale geldiğinde kondansatörün gerilimi ne kadar<br />

olacaktır? Elektrik kaynakların iç direncini ihmal ediniz.<br />

Elektrik aletlerinin değerleri şekilde verilmiştir.<br />

Çözüm. K1 anahtarı kapatıldıktan bir süre sonra bobinin bulunduğu döngüde akım<br />

sıfırdan I0‘a artıyor. K2 anahtarı kapandığı anda indüktansın eylemsizlik özelliği<br />

sebebiyle I0 akım hemen değişmiyor. Buna göre o anda L’den geçen akım I0, R1’den<br />

(yukarıdan aşağı doğru) I1, R2 ise I2 dir ve<br />

I 1 + I 2 = I 0<br />

(1)<br />

Kirchoff’un yasalarına göre<br />

V L + VR1<br />

= ε<br />

(2)<br />

−V R1<br />

+ VR2<br />

= ε<br />

(3)<br />

Denk(1) ve (3) bir denklem sistemi oluşturuyor:<br />

⎧I1<br />

+ I 2 = I 0<br />

⎨<br />

(4)<br />

⎩−<br />

I1R1<br />

+ I 2R2<br />

= ε<br />

− I 0R<br />

2<br />

Bu sisteme göre I1<br />

= −<br />

R + R<br />

ε<br />

ve Denk(2)’ye göre<br />

( 2R<br />

+ R )<br />

1<br />

2<br />

VL =<br />

1 2 − I 0R1<br />

R2<br />

R1<br />

+ R2<br />

ε<br />

(Cevap)<br />

Devre durgun hale geldiğinde C’den akım geçmiyor ve L’deki gerilim sıfırdır:<br />

Kirchoff’un yasalarına göre I 1R1<br />

= ε (sol döngüden) ve − I1 R1<br />

+ VC<br />

= ε (sağ döngü).<br />

Buradan = ε + I R = 2ε<br />

. (Cevap)<br />

V C<br />

1<br />

1<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong>


Soru 9. İndüktansı L1 ve L2 olan süper iletkenden yapılmış bobinler, sığası C olan bir<br />

kondansatörle seri olarak şekildeki gibi bağlıdır. İlk anda<br />

K1 ve K2 anahtarları açık, kondansatör ise U0 gerilime<br />

kadar yüklüdür. İlk başta K1 anahtarı ve ardından<br />

kondansatörün gerilimi sıfır olduğunda K2 anahtarı<br />

kapatılıyor. Bu andan bilinen bir zaman geçtikten sonra<br />

kondansatör bilinen bir maksimum Um gerilimine kadar<br />

yükleniyor. Bu gerilim ne kadardır? K2 anahtarı<br />

kapanmadan bir an önce bobinlerden geçen akım ne<br />

kadardır?<br />

Çözüm: K1 anahtarı kapatıldıktan sonra kondansatör sıfır gerilime (yüke) kadar<br />

boşalıyor. Kondansatörün gerilimi sıfır iken bobinlerden geçen akımı enerji koruma<br />

yasasına göre buluruz:<br />

( ) 2<br />

1 2 1<br />

CU 0 = L1<br />

+ L2<br />

I1<br />

2 2<br />

Buradan<br />

(1)<br />

I1<br />

= U 0<br />

C<br />

L + L<br />

(Cevap) (2)<br />

1<br />

2<br />

2<br />

K2 anahtarı kapatıldığında L2 bobinin gerilimi her bir an sıfırdır, yani VL 2 = L2<br />

= 0<br />

Buradan I = sabit olduğu gözleniyor. İlk başta<br />

I<br />

2<br />

2<br />

C<br />

= U 0 ’dir (3)<br />

L + L<br />

1<br />

2<br />

ve zamanla sabit kalıyor. Kondansatörün gerilimi maksimum olduğu an C’den ve<br />

dq<br />

dolayısıyla L1’den geçen akım sıfırdır ( I = = 0,<br />

q maksimum iken)<br />

. Enerji koruma<br />

dt<br />

yasasına göre<br />

1 2 1 2 1 2<br />

CU 0 = L2I<br />

2 + CU max<br />

2 2 2<br />

(4)<br />

2<br />

Denk(3)-(4)’ten U 0<br />

2<br />

= L2U<br />

0<br />

L<br />

1<br />

+ L<br />

2<br />

+ U max buluruz, yani<br />

U<br />

L<br />

1<br />

max = U 0 . (Cevap)<br />

L1<br />

+ L2<br />

1<br />

2<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong><br />

dI<br />

dt<br />

.


Soru 10. Şekildeki gösterilen devrede K anahtarı açık iken sığası C olan<br />

kondansatörün gerilimi 5ε’dir, burada ε iç direnci düşük olan<br />

elektrik kaynağının gerilimidir. Anahtarı kapadıktan sonra<br />

indüktansı L olan bobinden geçen akımın maksimum değeri<br />

ne kadar olabilir?<br />

1. Çözüm: Denklemleri daha kısa ve boyutsuz şekilde yazmak için ε = 1,<br />

C = 1 ve<br />

L = 1 sırasıyla gerilim, sığa ve indüktans birimi olsun. Buna göre<br />

2<br />

E 0 = Cε<br />

, I 0 = ε<br />

C<br />

,ve τ 0 =<br />

L<br />

LC sırasıyla enerji, akım ve zaman birimi oluyor.<br />

K anahtarı kapatıldığı anda kondansatördeki yük q ( t = 0)<br />

= 5 , akım ise bobinin<br />

eylemsizliğinden dolayı I = q&<br />

( t = 0)<br />

= 0 dır. Anahtar kapalı iken bobindeki gerilim<br />

di<br />

VL = L = q&<br />

& , kondansatördeki ise<br />

dt<br />

q<br />

VC = = q . Kirchoff’un kurallarına göre<br />

C<br />

V L + VC<br />

= ε , yani q& & + q = 1.<br />

İlk duruma bakıldığında<br />

⎧q&<br />

& + q = 1<br />

⎪<br />

⎨q<br />

= 5<br />

⎪<br />

⎩q&<br />

= 0<br />

diferansiyel denklemine gelinir. Bu denklemin çözümü<br />

(1)<br />

q = 1+ 4cost<br />

(2)<br />

Akım ise i = q&<br />

= −4sin<br />

t . Buna göre i 4 , boyutlu şeklinde ise<br />

max =<br />

C<br />

imax = 4I 0 = 4ε<br />

(Cevap).<br />

L<br />

1 2<br />

2. Çözüm: Devredeki enerji bobinde ve kondansatörde depolanmaktadır: E L = LI L<br />

2<br />

1 2<br />

ve E C = CVC<br />

, yani<br />

2<br />

1 2 2<br />

E = ( I + q )<br />

(3)<br />

2<br />

25<br />

İlk anda q = CVC<br />

= 5 , I = 0 , buna göre E i = . Sistemin enerji değişimi emk’nın<br />

2<br />

yaptığı işe eşittir. İlk anlarda kondansatör boşalırken 5’ten bir q’ya kadar emk’nın<br />

1 2 2 25<br />

yaptığı iş W = −ε<br />

∆q<br />

= −(<br />

5 − q)<br />

. Buna göre E − Ei<br />

= ( I + q ) − = −(<br />

5 − q)<br />

. Buradan<br />

2 2<br />

2<br />

2<br />

I = 15 + 2q<br />

− q ’ye eşittir. (4)<br />

2<br />

Bu fonksiyonun maksimumu q = 1iken<br />

oluşuyor, yani I = 15 + 2 −1<br />

= 16,<br />

buradan<br />

C<br />

I max = 4 , boyutlu şeklinde ise imax = 4I 0 = 4ε<br />

(Cevap).<br />

L<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong><br />

max


Soru 11. Şekildeki gösterilen devrede K anahtarı açık iken devrede serbest elektrik<br />

titreşimi yapılmaktadır. Devredeki akım maksimum değerini<br />

aldığı, akım I0 olduğu anda K anahtarı kapatılıyor. Anahtar<br />

kapatıldıktan sonra kondansatörün maksimum gerilimi ne<br />

kadar olabilir? Devrenin parametreleri şekilde verilmiştir.<br />

1. Çözüm: Denklemleri daha kısa ve boyutsuz şekilde yazmak için I 1,<br />

C = 1 ve<br />

L 1 sırasıyla akım, sığa ve indüktans birimi olsun. Buna göre<br />

1 =<br />

2 L1<br />

E0<br />

= CI 0 , V = I 0<br />

C<br />

L1<br />

,ve τ 0 =<br />

C<br />

L1C sırasıyla enerji, gerilim ve zaman birimi oluyor.<br />

K anahtarı açık iken devrede q = −sin<br />

t yasasına göre serbest titreşim yapılmaktadır<br />

( ω =<br />

1<br />

= 1,akım<br />

ise<br />

L C<br />

i = cost<br />

’ye eşittir). Anahtar kapatıldıktan sonra devrenin<br />

1<br />

indüktansı<br />

L<br />

L L<br />

L + L<br />

1 2<br />

2<br />

= = ’ye, açısal frekans ise<br />

1<br />

2<br />

L<br />

1+ L<br />

oluyor. İlk anda q = 0,<br />

akım ise q& ( t = 0)<br />

= 1,<br />

yani<br />

2<br />

1<br />

0 =<br />

1+<br />

L<br />

L<br />

2<br />

ω = = ’ye eşit<br />

2 ⎧q&<br />

& + ω q = 0<br />

⎪<br />

⎨q(<br />

t = 0)<br />

= 0<br />

⎪<br />

⎩<br />

q&<br />

( t = 0)<br />

= 1<br />

diferansiyel denklemine gelinir. Denk(1)’in çözümü<br />

(1)<br />

q ωt<br />

ω cos<br />

1<br />

= −<br />

(2)<br />

1<br />

Denk(2)’den VC max = qmax<br />

= buluruz, boyutlu şekilde ise<br />

ω<br />

VC max = I 0<br />

L1L<br />

2<br />

C L + L<br />

(Cevap).<br />

( )<br />

1<br />

2<br />

2. Çözüm: Devredeki enerji bobinde ve kondansatörde depolanmaktadır:<br />

1 2 2<br />

EL = ( L1I<br />

1 + L2I<br />

2 ) ve E C<br />

2<br />

1 2<br />

= CVC<br />

, yani<br />

2<br />

1 2 2 2<br />

E = ( L1I<br />

1 + L2I<br />

2 + CVC<br />

) = Ei<br />

2<br />

1 2<br />

= L1I<br />

0<br />

2<br />

(3)<br />

Anahtar kapatıldığında, bobinler paralel olduğuna göre V L1<br />

= VL2<br />

, yani<br />

dI1<br />

L1<br />

= L2<br />

dt<br />

dI 2 ⇒ L 1 I1<br />

− L2I<br />

2<br />

dt<br />

= sabit . İlk anda I 1 = I 0 ve I 2 = 0 , yani sabit = L1I<br />

0 ⇒<br />

L I − L I = L I<br />

(4)<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong><br />

1<br />

1<br />

2 2<br />

+ I 2<br />

1<br />

0<br />

Aynı anda I 1 = I C . I C = 0 iken kondansatörün yükü ve gerilimi maksimum<br />

haldedir. Yani bu durumda I1 = −I<br />

2 ve Denk(4)’de göre<br />

L1<br />

I1<br />

= I0<br />

L + L<br />

(5)<br />

1<br />

2<br />

LC<br />

2


Denk(3) ve (5)’e göre<br />

2 2<br />

2<br />

( L1 L2<br />

) I1<br />

CVCmac<br />

L1I<br />

0 = +<br />

⎛<br />

2 2<br />

+ ⇒ ⎜<br />

⎛ L1<br />

⎞<br />

CV = − ( + )<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎟<br />

C max I 0 L1<br />

L1<br />

L2<br />

⎝<br />

⎝ L1<br />

+ L2<br />

⎠<br />

⇒ ⎟ 2 2 L1<br />

⎛ L1<br />

⎞<br />

L1L2<br />

V = ⎜<br />

C max I 0 1−<br />

⇒ VC max = I 0<br />

(Cevap)<br />

C ⎝ L1<br />

+ L2<br />

⎠<br />

C(<br />

L1<br />

+ L2<br />

)<br />

<strong>ITAP</strong> <strong>Fizik</strong> <strong>Olimpiyat</strong> <strong>Okulu</strong><br />

2<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎟<br />

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!