Skip to content · ⁨Перейти к содержанию⁩

Electric Circuits · ⁨Электрические цепи⁩

AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP Физика C: Электричество и магнетизм⁩ · Topic 11 · ⁨Тема 11⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩
8:44

Электрические цепи

Вы щелкаете выключателем, и лампа загорается мгновенно. Значит, электроны мчатся по проводу — верно? Совершенно нет. Внутри медного провода носители ползут…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)⁩

11.1

Electric Current · ⁨Электрический ток⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.1.A: Describe the movement of electric charges through a medium.

  • 11.1.A.1 Current is the rate at which charge passes through a cross-sectional area of a wire.
    • Equation: $I = \dfrac{dq}{dt}$
    • 11.1.A.1.i Current within a conductor consists of charge carriers traveling through the conductor with an average drift velocity.
      • Equation: $I = nqv_d A$
    • 11.1.A.1.ii Electric charge moves in a circuit in response to an electric potential difference, sometimes referred to as electromotive force, or $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.1.A.1.iii If the current is zero in a section of wire, the net motion of charge carriers in the wire is also zero, although individual charge carriers will not have zero speed.
  • 11.1.A.2 Current density is the flow of charge per unit area.
    • Equation: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.2.i Current density is related to the motion of the charge carriers within a conductor.
      • Equation: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
    • 11.1.A.2.ii Current density is a vector quantity.
    • 11.1.A.2.iii A potential difference across a conductor creates an electric field within the conductor that is proportional to the resistivity of the conductor and the current density.
      • Equation: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
  • 11.1.A.3 If a function of current density is given, the total current can be determined by integrating the current density over the area.
    • Equation: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
  • 11.1.A.4 Although current is a scalar quantity, it does have a direction. Because its direction is relative to the current carrier and not space, current does not obey the laws of vector addition and has no vector components.
    • 11.1.A.4.i The direction of conventional current is chosen to be the direction in which positive charge would move.
    • 11.1.A.4.ii In common circuits, the current is actually due to the movement of electrons (negative charge carriers).
Русский

Цель обучения 11.1.A: Описывать движение электрических зарядов через среду.

  • 11.1.A.1 Ток — это скорость прохождения заряда через поперечное сечение провода.
    • Уравнение: $I = \dfrac{dq}{dt}$
    • 11.1.A.1.i Ток внутри проводника состоит из носителей заряда, движущихся через проводник со средней скоростью дрейфа.
      • Уравнение: $I = nqv_d A$
    • 11.1.A.1.ii Электрический заряд движется в цепи под действием разности электрических потенциалов, которую иногда называют электродвижущей силой, или $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.1.A.1.iii Если ток равен нулю на участке провода, то и суммарное движение носителей заряда в этом проводе также равно нулю, хотя отдельные носители заряда не будут иметь нулевую скорость.
  • 11.1.A.2 Плотность тока — это поток заряда на единицу площади.
    • Уравнение: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.2.i Плотность тока связана с движением носителей заряда внутри проводника.
      • Уравнение: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
    • 11.1.A.2.ii Плотность тока является векторной величиной.
    • 11.1.A.2.iii Разность потенциалов на проводнике создает электрическое поле внутри него, которое пропорционально удельному сопротивлению проводника и плотности тока.
      • Уравнение: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
  • 11.1.A.3 Если задана функция плотности тока, полный ток можно определить, интегрируя плотность тока по площади.
    • Уравнение: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
  • 11.1.A.4 Хотя ток является скалярной величиной, он имеет направление. Поскольку его направление относительно носителя тока, а не пространства, ток не подчиняется законам сложения векторов и не имеет векторных компонент.
    • 11.1.A.4.i Направление условного тока принимается равным направлению, в котором двигался бы положительный заряд.
    • 11.1.A.4.ii В обычных цепях ток на самом деле обусловлен движением электронов (отрицательных носителей заряда).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Electric current 电流 is the rate at which charge passes a cross-section of wire, $I=\dfrac{dq}{dt}$, measured in amperes 安培. Conventional current points the way positive charge would move. Microscopically, a current is a slow drift of many carriers:

$$I=nqv_dA,$$

with $n$ the number of carriers per volume, $q$ the charge each carries, $v_d$ the drift velocity 漂移速度, and $A$ the cross-sectional area 横截面积.

Worked example. A copper wire with $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ and $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ carries $1.7\ \text{A}$. Then $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – the carriers drift slower than a snail, even though the signal travels near light speed.

Current density 电流密度 is charge flow per unit area, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, linked to the field driving it by $\vec{E}=\rho\vec{J}$. In general $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; if $J(r)$ varies across the wire, integrate it over the cross-section to get the total current. One care point: current has a direction along its wire, but it is a scalar 标量 – currents do not add as vectors, and there are no "components of current".

Русский

Электрический ток — это скорость прохождения заряда через поперечное сечение провода, $I=\dfrac{dq}{dt}$, измеряемая в амперах. Направление обычного тока совпадает с тем, куда двигались бы положительные заряды. Микроскопически ток представляет собой медленное дрейфование большого числа носителей:

$$I=nqv_dA,$$

где $n$ — число носителей в единице объема, $q$ — заряд каждого носителя, $v_d$ — скорость дрейфа, а $A$ — площадь поперечного сечения.

Носители заряда медленно дрейфуют через проводник, создавая ток
Носители заряда медленно дрейфуют через проводник, создавая ток

Разобранный пример. Медный провод с площадью сечения $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ и концентрацией носителей $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ пропускает ток $1.7\ \text{A}$. Тогда скорость дрейфа составляет $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ — носители движутся медленнее улитки, хотя сам сигнал распространяется со скоростью, близкой к скорости света.

Плотность тока — это поток заряда на единицу площади, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, связанный с создающим его полем соотношением $\vec{E}=\rho\vec{J}$. В общем случае $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; если плотность тока $J(r)$ меняется поперечного сечения провода, проинтегрируйте её по сечению, чтобы получить полный ток. Важный нюанс: ток имеет направление вдоль провода, но является скаляром — токи не складываются как векторы, и не существует «компонент тока».

Осциллограф: зависимость напряжения от времени показывает, как меняются ток и заряд в цепи
Осциллограф: зависимость напряжения от времени показывает, как изменяются ток и заряд в цепи
Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ Электрический ток
amperes/ˈæmpeəz/ амперах
drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ скорость дрейфа
cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ площадь поперечного сечения
Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ плотность тока
scalar/ˈskeɪlə/ скаляр
circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ схема электрической цепи
series/ˈsɪəriːz/ последовательно
11.2

Electric Circuits · ⁨Электрические цепи⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.2.A: Describe the behavior of a circuit.

  • 11.2.A.1 A circuit is composed of electrical loops, which can include wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, ammeters, and voltmeters.
  • 11.2.A.2 A closed electrical loop is a closed path through which charges may flow.
    • 11.2.A.2.i A closed circuit is one in which charges would be able to flow.
    • 11.2.A.2.ii An open circuit is one in which charges would not be able to flow.
    • 11.2.A.2.iii A short circuit is one in which charges would be able to flow with no change in potential difference.
  • 11.2.A.3 A single circuit element may be part of multiple electrical loops.
  • 11.2.A.4 Circuit schematics are representations used to describe and analyze electric circuits.
    • 11.2.A.4.i The properties of an electric circuit are dependent on the physical arrangement of its constituent elements.
    • 11.2.A.4.ii Circuit elements have common symbols that are used to create schematic diagrams. Variable elements are indicated by a diagonal strikethrough arrow across the standard symbol for that element. (Symbols: Battery, Bulb, Switch, Capacitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter, Inductor.)

Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current.

Русский

Цель обучения 11.2.A: Описывать поведение электрической цепи.

  • 11.2.A.1 Электрическая цепь состоит из контуров, которые могут включать провода, батареи, резисторы, лампочки, конденсаторы, катушки индуктивности, переключатели, амперметры и вольтметры.
  • 11.2.A.2 Замкнутая электрическая петля — это замкнутый путь, по которому могут протекать заряды.
    • 11.2.A.2.i Замкнутая цепь — это цепь, в которой заряды могли бы протекать.
    • 11.2.A.2.ii Разомкнутая цепь — это цепь, в которой заряды не могли бы протекать.
    • 11.2.A.2.iii Короткое замыкание — это цепь, в которой заряды могли бы протекать без изменения разности потенциалов.
  • 11.2.A.3 Один элемент цепи может быть частью нескольких электрических петель.
  • 11.2.A.4 Схемы электрических цепей — это представления, используемые для описания и анализа электрических цепей.
    • 11.2.A.4.i Свойства электрической цепи зависят от физического расположения её составных элементов.
    • 11.2.A.4.ii Элементы цепи имеют общепринятые символы, используемые для создания схем. Переменные элементы обозначаются диагональной чертой со стрелкой поверх стандартного символа данного элемента. (Символы: Батарея, Лампочка, Выключатель, Конденсатор, Резистор, Амперметр, Вольтметр, Катушка.)

Предварительная оговорка: Если не указано иное, все схемы электрических цепей будут изображаться с использованием традиционного тока.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

A circuit is a set of closed loops built from wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, and meters; charge can flow only around a closed path. One element can belong to several loops at once – that is what makes multi-loop problems interesting. Every analysis starts by reading the circuit diagram 电路图: trace each loop and identify which elements share the same current (series 串联) and which share the same potential difference (parallel 并联).

Русский

Цепь — это совокупность замкнутых контуров, образованных проводами, батареями, резисторами, лампочками, конденсаторами, катушками индуктивности, выключателями и измерительными приборами; заряд может течь только по замкнутому пути. Один элемент может одновременно принадлежать нескольким контурам — именно это делает задачи с несколькими контурами интересными. Любой анализ начинается с чтения схемы цепи: проследите каждый контур и определите, какие элементы соединены последовательно (имеют одинаковый ток) и какие — параллельно (имеют одинаковую разность потенциалов).

Explore · ⁨Исследовать⁩

Build series and parallel circuits · ⁨Соберите последовательные и параллельные цепи⁩

In series the same current flows through every bulb and voltage divides; in parallel each branch gets the full voltage. Switch mode to see the bulbs' brightness change. · ⁨В последовательной цепи через каждую лампочку течет одинаковый ток, а напряжение делится; в параллельной каждой ветви подается полное напряжение. Переключите режим, чтобы увидеть изменение яркости лампочек.⁩

11.3

Resistance, Resistivity, and Ohm's Law · ⁨Сопротивление, Удельное сопротивление и Закон Ома⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.3.A: Describe the resistance of an object using physical properties of that object.

  • 11.3.A.1 Resistance is a measure of the degree to which an object opposes the movement of electric charge.
  • 11.3.A.2 The resistance of a resistor with uniform geometry is proportional to its resistivity and length and is inversely proportional to its cross-sectional area.
    • Equation: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i Resistivity is a fundamental property of a material that depends on its atomic and molecular structure and quantifies how strongly the material opposes the motion of electric charge.
    • 11.3.A.2.ii The resistivity of a conductor typically increases with temperature.
    • 11.3.A.2.iii The total resistance of a resistor with uniform geometry, but that is made of a material whose resistivity varies along the length of the resistor, is given by $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

Learning Objective 11.3.B: Describe the electrical characteristics of elements of a circuit.

  • 11.3.B.1 Ohm's law relates current, resistance, and potential difference across a conductive element of a circuit.
    • Equation: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Materials that obey Ohm's law have constant resistance for all currents and are called ohmic materials.
    • 11.3.B.1.ii The resistivity of an ohmic material is constant regardless of temperature.
    • 11.3.B.1.iii Resistors can also convert electrical energy to thermal energy, which may change the temperature of both the resistor and the resistor's environment.
    • 11.3.B.1.iv The resistance of an ohmic circuit element can be determined from the slope of a graph of the current in the element as a function of the potential difference across the element.
Русский

Цель обучения 11.3.A: Описывать сопротивление объекта с использованием его физических свойств.

  • 11.3.A.1 Сопротивление — это мера того, насколько объект препятствует движению электрического заряда.
  • 11.3.A.2 Сопротивление резистора с равномерной геометрией прямо пропорционально его удельному сопротивлению и длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения.
    • Уравнение: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i Удельное сопротивление — это фундаментальное свойство материала, зависящее от его атомной и молекулярной структуры, которое количественно определяет, насколько сильно материал препятствует движению электрического заряда.
    • 11.3.A.2.ii Удельное сопротивление проводника обычно увеличивается с повышением температуры.
    • 11.3.A.2.iii Полное сопротивление резистора с однородной геометрией, но изготовленного из материала, удельное сопротивление которого изменяется вдоль длины резистора, определяется формулой $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

Цель обучения 11.3.B: Описывать электрические характеристики элементов цепи.

  • 11.3.B.1 Закон Ома устанавливает связь между током, сопротивлением и разностью потенциалов на проводящем элементе цепи.
    • Уравнение: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Материалы, подчиняющиеся закону Ома, имеют постоянное сопротивление при любых силах тока и называются омическими материалами.
    • 11.3.B.1.ii Удельное сопротивление омического материала постоянно независимо от температуры.
    • 11.3.B.1.iii Резисторы также могут преобразовывать электрическую энергию в тепловую, что может изменить температуру как самого резистора, так и окружающей среды.
    • 11.3.B.1.iv Сопротивление омического элемента цепи можно определить по наклону графика зависимости силы тока в элементе от разности потенциалов на нём.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Resistance 电阻 measures how strongly an object opposes charge flow. It grows with the material's resistivity 电阻率 and the conductor's length, and shrinks with its area:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

Ohm's law 欧姆定律 relates the current through an element to the potential difference across it:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$

Worked example. Stretch a wire to double its length: the volume is fixed, so the area halves, and $R=\rho\ell/A$ becomes $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – four times the resistance. An element is ohmic 欧姆性 if $R$ stays constant (a straight line through the origin on an $I$–$\Delta V$ graph); a lightbulb filament, which heats up, is not.

Русский

Сопротивление характеризует, насколько сильно объект препятствует потоку заряда. Оно увеличивается с ростом удельного сопротивления материала и длины проводника, и уменьшается с увеличением его площади:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

Закон Ома связывает ток через элемент с разностью потенциалов на нём:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$
Более длинный проводник имеет большее сопротивление; более широкий — меньшее
Более длинный проводник имеет большее сопротивление; более широкий — меньшее

Разобранное решение. Растяните провод так, чтобы его длина удвоилась: объём сохраняется, значит, площадь сечения уменьшается вдвое, а сопротивление $R=\rho\ell/A$ становится равно $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ — в четыре раза больше исходного. Элемент считается омическим, если отношение напряжения к току $R$ постоянно (прямая линия через начало координат на графике зависимости $I$–$\Delta V$); нить лампочки, нагревающаяся при работе, таким элементом не является.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Apply Ohm's law · ⁨Примените закон Ома⁩

Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current. · ⁨Закон Ома $V=IR$: при постоянном сопротивлении ток пропорционален напряжению. Увеличьте сопротивление, и то же напряжение будет создавать меньший ток.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ удельное сопротивление
Ohm's law/əʊmz lɔː/ Законом Ома
ohmic/ˈəʊmɪk/ омический
equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ эквивалентное сопротивление
ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ идеальный источник ЭДС (батарея)
internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ внутреннее сопротивление
terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ напряжение на зажимах
ammeter/ˈæmiːtə/ амперметр
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ вольтметр
Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ Правило Кирхгофа для контура
Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ Правило Кирхгофа для узла
junction/ˈdʒʌŋkʃn/ узла
equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ эквивалентная емкость
RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ RC-цепь
time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ постоянная времени
steady state/ˈstedi steɪt/ установившийся режим
11.4

Electric Power · ⁨Электрическая мощность⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.4.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within an electric circuit, in terms of power.

  • 11.4.A.1 The rate at which energy is transferred, converted, or dissipated by a circuit element depends on the current in the element and the electric potential difference across it.
    • Equation: $P = I\Delta V$
    • Equation: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 The brightness of a lightbulb increases with power, so power can be used to qualitatively predict the brightness of lightbulbs in a circuit.

Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to analyze the transfer of mechanical and electrical energy, although students should be aware that electrical energy can also be dissipated in the form of thermal energy.

Русский

Цель обучения 11.4.A: Описывать передачу энергии в электрическую цепь, из неё или внутри неё в терминах мощности.

  • 11.4.A.1 Скорость передачи, преобразования или рассеивания энергии элементом цепи зависит от силы тока в элементе и разности электрических потенциалов на нём.
    • Уравнение: $P = I\Delta V$
    • Уравнение: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 Яркость лампочки возрастает с увеличением мощности, поэтому мощность может использоваться для качественной оценки яркости лампочек в цепи.

Ограничение: AP Physics C: Электричество и магнетизм требует от студентов только анализа переноса механической и электрической энергии, хотя студенты должны знать, что электрическая энергия также может рассеиваться в виде тепловой энергии.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

A charge $q$ falling through a potential difference $\Delta V$ gives up energy $q\Delta V$, so the rate of energy transfer in an element is

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

In a resistor all of it becomes heat. Use the form whose quantities you actually know – and use power to rank lightbulb brightness: brighter = more power, not necessarily more resistance. In series, the larger resistance is brighter ($P=I^2R$, same $I$); in parallel, the smaller one is ($P=\Delta V^2/R$, same $\Delta V$).

Русский

Заряд $q$, проходящий через разность потенциалов $\Delta V$, отдает энергию $q\Delta V$, поэтому скорость передачи энергии в элементе равна

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

В резисторе вся она переходит в тепло. Используйте ту формулу, quantities которой вам фактически известны — и используйте мощность для сравнения яркости лампочек: ярче = больше мощности, а не обязательно больше сопротивления. При последовательном соединении ярче тот резистор, у которого большее сопротивление ($P=I^2R$, одинаковый $I$); при параллельном — у которого меньшее ($P=\Delta V^2/R$, одинаковый $\Delta V$).

Explore · ⁨Исследовать⁩

Read an I-V characteristic · ⁨Прочитайте ВАХ (вольт-амперную характеристику)⁩

Power is $P=IV$. A resistor's I-V line is straight, but a lamp curves as it heats and its resistance rises. The area under I-V relates to the energy delivered. · ⁨Мощность равна $P=IV$. ВАХ резистора — прямая линия, но ВАХ лампы искривляется при нагреве, когда ее сопротивление растет. Площадь под ВАХ связана с переданной энергией.⁩

11.5

Compound Direct Current Circuits · ⁨Составные цепи постоянного тока⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

  • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
    • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
    • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may pass through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
  • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
      • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
      • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

  • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
    • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
    • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
    • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
  • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
  • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
    • Equation: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

  • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
    • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
    • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
  • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
    • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
    • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have infinite resistance so that no charge flows through them.
  • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

Boundary statement: Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal. Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

Русский

Цель обучения 11.5.A: Описывать эквивалентное сопротивление нескольких резисторов, соединённых в цепи.

  • 11.5.A.1 Элементы цепи могут быть соединены последовательно и/или параллельно.
    • 11.5.A.1.i Последовательное соединение — это такое соединение, при котором любой заряд, проходящий через один элемент цепи, должен пройти через все элементы этого соединения и не имеет других путей. Сила тока в каждом элементе, соединённом последовательно, должна быть одинаковой.
    • 11.5.A.1.ii Параллельное соединение — это такое, при котором заряды могут проходить через один из двух или более путей. На каждом из этих путей разность потенциалов одинакова.
  • 11.5.A.2 Набор резисторов в цепи можно рассматривать как один эквивалентный резистор с эквивалентным сопротивлением $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i Эквивалентное сопротивление набора резисторов, соединенных последовательно, равно сумме их индивидуальных сопротивлений.
      • Уравнение: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii Величина, обратная эквивалентному сопротивлению набора резисторов, соединенных параллельно, равна сумме величин, обратных индивидуальным сопротивлениям.
      • Уравнение: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii При параллельном соединении резисторов количество доступных для зарядов путей увеличивается, а эквивалентное сопротивление группы резисторов уменьшается.

Учебная цель 11.5.B: Описать цепь с резистивными проводами и батареей с внутренним сопротивлением.

  • 11.5.B.1 Идеальные батареи имеют пренебрежимо малым внутренним сопротивлением. Идеальные провода имеют пренебрежимо малое сопротивление.
    • 11.5.B.1.i Сопротивлением проводов-хороших проводников обычно можно пренебречь, так как оно значительно меньше, чем сопротивление других элементов цепи.
    • 11.5.B.1.ii Сопротивлением проводов можно пренебречь только если в цепи присутствуют другие элементы, обладающие сопротивлением.
    • 11.5.B.1.iii Напряжение, которое выдала бы идеальная батарея, равно напряжению, измеряемому на зажимах при отсутствии тока в батарее, и иногда называется её $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
  • 11.5.B.2 Внутреннее сопротивление неидеальной батареи можно рассматривать как сопротивление резистора, включенного последовательно с идеальной батареей и остальной частью цепи.
  • 11.5.B.3 При наличии тока в неидеальной батарее с внутренним сопротивлением $r$ напряжение на зажимах батареи снижается по сравнению с напряжением при отсутствии тока в батарее.
    • Уравнение: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

Учебная цель 11.5.C: Описать измерение силы тока и напряжения в цепи.

  • 11.5.C.1 Амперметры используются для измерения силы тока в конкретной точке цепи.
    • 11.5.C.1.i Амперметры должны подключаться последовательно с элементом, в котором измеряется сила тока.
    • 11.5.C.1.ii Идеальные амперметры имеют нулевое сопротивление, чтобы не оказывать влияния на ток в элементе, с которым они соединены последовательно.
  • 11.5.C.2 Вольтметры используются для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.
    • 11.5.C.2.i Вольтметры должны подключаться параллельно элементу, на котором измеряется разность потенциалов.
    • 11.5.C.2.ii Идеальные вольтметры имеют бесконечное сопротивление, поэтому через них не течет заряд.
  • 11.5.C.3 Неидеальные амперметры и вольтметры изменят свойства измеряемой цепи.

Ограничение: Если не указано иное, все батареи, провода и приборы считаются идеальными. Цепи с батареями, имеющими разные разности потенциалов и соединенными параллельно, не будут оцениваться.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Reduce resistor networks to an equivalent resistance 等效电阻: series resistances add ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), while parallel resistances add as reciprocals ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – always less than the smallest branch). Collapse the network step by step to find the battery current, then expand back out to find each element's current and voltage.

Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $2.0\ \Omega$ resistor in series: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, the voltages split $8.0\ \text{V}$ and $4.0\ \text{V}$, and the $4.0\ \Omega$ resistor dissipates $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Real batteries are not ideal. Model a battery as an ideal battery 理想电池 of emf $\varepsilon$ in series with its own internal resistance 内阻 $r$. When current flows, some emf is used up inside, so the terminal voltage 端电压 – what a voltmeter across the battery actually reads – drops:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

Worked example. A battery with $\varepsilon=12\ \text{V}$ and $r=0.50\ \Omega$ supplies $2.0\ \text{A}$: the terminals sit at $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. With no current, a voltmeter reads the full $12\ \text{V}$.

Meters: an ammeter 电流表 goes in series at the point whose current you want (ideal ammeter: zero resistance); a voltmeter 电压表 goes in parallel across the element (ideal voltmeter: infinite resistance). Non-ideal meters disturb the circuit they measure – a real ammeter adds series resistance, a real voltmeter steals current.

Русский

Сведите цепь резисторов к эквивалентному сопротивлению: при последовательном соединении сопротивления складываются ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), а при параллельном — их обратные величины складываются ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ — результат всегда меньше наименьшей ветви). Сворачивайте цепь пошагово, чтобы найти ток батареи, затем разверните обратно, чтобы определить ток и напряжение на каждом элементе.

Разбор примера. Батарея напряжением $12\ \text{V}$ питает последовательно соединенные резисторы $4.0\ \Omega$ и $2.0\ \Omega$: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, напряжения распределяются как $8.0\ \text{V}$ и $4.0\ \text{V}$, а резистор $4.0\ \Omega$ рассеивает $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Резисторы, соединенные параллельно, дают меньшее эквивалентное сопротивление
Резисторы, соединенные параллельно, дают меньшее эквивалентное сопротивление

Реальные батареи не являются идеальными. Представьте батарею как идеальный источник ЭДС со значением $\varepsilon$, соединенный последовательно со своим внутренним сопротивлением $r$. Когда течет ток, часть ЭДС расходуется внутри, поэтому напряжение на зажимах — то, что реально показывает вольтметр, подключенный к батарее, — падает:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

Разбор примера. Батарея с ЭДС $\varepsilon=12\ \text{V}$ и внутренним сопротивлением $r=0.50\ \Omega$ выдает ток $2.0\ \text{A}$: напряжение на зажимах составляет $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. Без тока вольтметр покажет полное значение $12\ \text{V}$.

Измерительные приборы: амперметр включается последовательно в точку, ток в которой нужно измерить (идеальный амперметр: нулевое сопротивление); вольтметр включается параллельно к элементу (идеальный вольтметр: бесконечное сопротивление). Неидеальные приборы искажают измеряемую цепь — реальный амперметр добавляет последовательное сопротивление, а реальный вольтметр отбирает ток.

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
parallel/ˈpærəlel/ параллельно
Resistance/rɪˈzɪstəns/ Сопротивление
11.6

Kirchhoff's Loop Rule · ⁨Правило контуров Кирхгофа⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.6.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's loop rule.

  • 11.6.A.1 Energy changes in simple electrical circuits may be represented in terms of charges moving through electric potential differences within circuit elements.
    • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 Kirchhoff's loop rule is a consequence of the conservation of energy.
    • 11.6.A.2.i Kirchhoff's loop rule states that the sum of potential differences across all circuit elements in a single closed loop must equal zero.
      • Equation: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii The values of electric potential at points in a circuit can be represented by a graph of electric potential as a function of position within a loop.
Русский

Учебная цель 11.6.A: Описать цепь или элементы цепи, применяя правило контуров Кирхгофа.

  • 11.6.A.1 Изменения энергии в простых электрических цепях можно представить через движение зарядов через разности электрических потенциалов внутри элементов цепи.
    • Уравнение: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 Правило контуров Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии.
    • 11.6.A.2.i Правило контуров Кирхгофа гласит, что сумма разностей потенциалов на всех элементах цепи в одном замкнутом контуре должна быть равна нулю.
      • Уравнение: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii Значения электрического потенциала в точках цепи могут быть представлены графиком зависимости электрического потенциала от положения в контуре.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Charges moving through potential differences exchange energy ($\Delta U_E=q\Delta V$), and energy must balance around any closed path. That is Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫回路定则:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

Sign discipline wins these problems: crossing a battery from $-$ to $+$ is $+\varepsilon$; crossing a resistor with the assumed current is $-IR$ (against it, $+IR$). Write one equation per independent loop.

Русский

Заряды, движущиеся через разности потенциалов, обмениваются энергией ($\Delta U_E=q\Delta V$), и энергия должна быть сбалансирована вдоль любого замкнутого пути. Это правило контуров Кирхгофа:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

Дисциплина знаков решает эти задачи: переход через батарею от $-$ к $+$ дает $+\varepsilon$; переход через резистор по направлению предполагаемого тока дает $-IR$ (против него — $+IR$). Запишите одно уравнение для каждого независимого контура.

11.7

Kirchhoff's Junction Rule · ⁨Правило узлов Кирхгофа⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.7.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's junction rule.

  • 11.7.A.1 Kirchhoff's junction rule is a consequence of the conservation of electric charge.
  • 11.7.A.2 Kirchhoff's junction rule states that the total amount of charge entering a junction per unit time must equal the total amount of charge exiting that junction per unit time.
    • Equation: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
Русский

Учебная цель 11.7.A: Описать цепь или элементы цепи, применяя правило узлов Кирхгофа.

  • 11.7.A.1 Правило узлов Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.
  • 11.7.A.2 Правило узлов Кирхгофа гласит, что общий заряд, входящий в узел за единицу времени, должен быть равен общему заряду, выходящему из этого узла за единицу времени.
    • Уравнение: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫节点定则 is conservation of charge at a junction 节点:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$

Together the two rules solve any multi-loop circuit: assign a current to each branch, write junction equations, then loop equations, and solve. A negative answer just means that current flows opposite to your assumed direction.

Worked example. In the circuit above, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ with $R_1=1.0\ \Omega$ on the left, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ with $R_2=1.0\ \Omega$ on the right, and a shared middle resistor $R_3=2.0\ \Omega$ carrying $I_3=I_1+I_2$ (junction rule). The two loop equations are

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

Solving: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, so $I_3=4.2\ \text{A}$ through the middle. Check with the second loop: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

Русский

Правило узлов Кирхгофа — это закон сохранения заряда в узле:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$
Ток делится в узле: что втекает, то и вытекает
Ток делится в узле: что втекает, то и вытекает

Вместе два правила позволяют решить любую схему с несколькими контурами: назначьте ток каждой ветви, запишите уравнения для узлов, затем уравнения для контуров и решите систему. Отрицательный ответ означает лишь, что ток течет в направлении, противоположном выбранному вами.

Два уравнения контуров и одно уравнение узла решают эту двухбатарейную схему
Два уравнения контуров и одно уравнение узла решают эту двухбатарейную схему

Разбор примера. В схеме выше: слева батарея $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ с сопротивлением $R_1=1.0\ \Omega$, справа батарея $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ с сопротивлением $R_2=1.0\ \Omega$, общий средний резистор $R_3=2.0\ \Omega$ несет ток $I_3=I_1+I_2$ (правило узлов). Два уравнения контуров имеют вид

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

Решение: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, значит через средний резистор течет $I_3=4.2\ \text{A}$. Проверка вторым контуром: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

11.8

Resistor-Capacitor (RC) Circuits · ⁨Резисторно-конденсаторные (RC) цепи⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.8.A: Describe the equivalent capacitance of multiple capacitors.

  • 11.8.A.1 A collection of capacitors in a circuit may be analyzed as though it was a single capacitor with an equivalent capacitance $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i The inverse of the equivalent capacitance of a set of capacitors connected in series is equal to the sum of the inverses of the individual capacitances.
      • Equation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii The equivalent capacitance of a set of capacitors in series is less than the capacitance of the smallest capacitor.
    • 11.8.A.1.iii The equivalent capacitance of a set of capacitors in parallel is the sum of the individual capacitances.
      • Equation: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 As a result of conservation of charge, each of the capacitors in series must have the same magnitude of charge on each plate.

Learning Objective 11.8.B: Describe the behavior of a circuit containing combinations of resistors and capacitors.

  • 11.8.B.1 The charge on a capacitor or the current in a resistor in an RC circuit can be described by a fundamental differential equation derived from Kirchhoff's loop rule.
    • Equation: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 The time constant ($\tau$) is a significant feature of an RC circuit.
    • 11.8.B.2.i The time constant of an RC circuit is a measure of how quickly the capacitor will charge or discharge and is defined as $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.2.ii For a charging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to increase from zero to approximately 63 percent of its final asymptotic value.
    • 11.8.B.2.iii For a discharging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to decrease from fully charged to approximately 37 percent of its initial value.
  • 11.8.B.3 The potential difference across a capacitor and the current in the branch of the circuit containing the capacitor each change over time as the capacitor charges and discharges, but both will reach a steady state after a long time interval.
    • 11.8.B.3.i Immediately after being placed in a circuit, an uncharged capacitor acts like a wire, and charge can easily flow to or from the plates of the capacitor.
    • 11.8.B.3.ii As a capacitor charges, changes to the potential difference across the capacitor affect the charge on the plates of the capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor.
    • 11.8.B.3.iii The potential difference across a capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor all change with respect to time and asymptotically approach steady state conditions.
    • 11.8.B.3.iv After a long time, a charging capacitor approaches a state of being fully charged, reaching a maximum potential difference at which there is zero current in the circuit branch in which the capacitor is located.
    • 11.8.B.3.v Immediately after a charged capacitor begins discharging, the amount of charge on the capacitor and the energy stored in the capacitor begin to decrease.
    • 11.8.B.3.vi As a capacitor discharges, the amount of charge on the capacitor, the potential difference across the capacitor, and the current in the circuit branch in which the capacitor is located all decrease until a steady state is reached.
    • 11.8.B.3.vii After either charging or discharging for times much greater than the time constant, the capacitor and the relevant circuit branch may be modeled using steady-state conditions.
Русский

Учебная цель 11.8.A: Описать эквивалентную ёмкость нескольких конденсаторов.

  • 11.8.A.1 Совокупность конденсаторов в цепи может рассматриваться как единый конденсатор с эквивалентной емкостью $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i Величина, обратная эквивалентной ёмкости набора конденсаторов, соединенных последовательно, равна сумме величин, обратных индивидуальным ёмкостям.
      • Уравнение: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii Эквивалентная ёмкость набора конденсаторов, соединенных последовательно, меньше ёмкости самого маленького конденсатора.
    • 11.8.A.1.iii Эквивалентная ёмкость набора конденсаторов, соединенных параллельно, равна сумме их индивидуальных ёмкостей.
      • Уравнение: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 В силу закона сохранения заряда каждый из конденсаторов, соединенных последовательно, должен иметь одинаковый модуль заряда на каждой пластине.

Учебная цель 11.8.B: Описать поведение цепи, содержащей комбинации резисторов и конденсаторов.

  • 11.8.B.1 Заряд на конденсаторе или ток в резисторе в RC-цепи описываются фундаментальным дифференциальным уравнением, выведенным из правила контуров Кирхгофа.
    • Уравнение: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 Постоянная времени ($\tau$) является важной характеристикой RC-цепи.
    • 11.8.B.2.i Постоянная времени RC-цепи является мерой скорости зарядки или разрядки конденсатора и определяется как $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.2.ii Для заряжающегося конденсатора постоянная времени представляет собой время, необходимое для того, чтобы заряд конденсатора увеличился от нуля до приблизительно 63 процентов от своего конечного асимптотического значения.
    • 11.8.B.2.iii Для разряжающегося конденсатора постоянная времени представляет собой время, необходимое для того, чтобы заряд конденсатора уменьшился от полностью заряженного состояния до приблизительно 37 процентов от начального значения.
  • 11.8.B.3 Разность потенциалов на конденсаторе и ток в ветви цепи, содержащей конденсатор, изменяются со временем по мере зарядки и разрядки, но оба достигают установившегося состояния после длительного интервала времени.
    • 11.8.B.3.i Непосредственно после подключения к цепи незаряженный конденсатор ведет себя как провод, и заряд легко протекает к обкладкам конденсатора или от них.
    • 11.8.B.3.ii По мере зарядки конденсатора изменения разности потенциалов на нем влияют на заряд обкладок, ток в ветви цепи, где расположен конденсатор, и электрический потенциальный запас, накопленный в конденсаторе.
    • 11.8.B.3.iii Разность потенциалов на конденсаторе, ток в ветви цепи, где он расположен, и электрический потенциальный запас, накопленный в нем, изменяются со временем и асимптотически приближаются к установившимся условиям.
    • 11.8.B.3.iv После длительного времени зарядка конденсатора приводит к состоянию, близкому к полному заряду, при котором достигается максимальная разность потенциалов и ток в ветви цепи, содержащей конденсатор, равен нулю.
    • 11.8.B.3.v Непосредственно после начала разрядки заряженного конденсатора количество заряда на нем и энергия, накопленная в нем, начинают уменьшаться.
    • 11.8.B.3.vi По мере разрядки конденсатора количество заряда на нем, разность потенциалов на нем и ток в ветви цепи, где он расположен, уменьшаются до достижения установившегося состояния.
    • 11.8.B.3.vii После зарядки или разрядки в течение временных интервалов, значительно превышающих постоянную времени, конденсатор и соответствующая ветвь цепи можно моделировать, используя условия установившегося состояния.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English
Discharging a capacitor: τ = RC
Charging a capacitor (RC)

Capacitor networks reduce like resistors but with the rules swapped: parallel capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), series add as reciprocals – and capacitors in series must carry the same charge on each plate, by conservation of charge. Use the equivalent capacitance 等效电容 to analyse the network, then expand back.

In an RC circuit RC电路, Kirchhoff's loop rule gives the differential equation

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

whose solutions are exponentials with time constant 时间常数 $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

The current is largest at the first instant and decays – it never "waits" for the capacitor. Learn the two limits: at $t=0$ an uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged, no current flows in its branch, and it acts like a break. In any steady state 稳态, cover the capacitor branch with your finger, solve the resistor circuit, then read the capacitor's voltage from the element it sits across.

Worked example. With $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, and a $10\ \text{V}$ battery: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; initial current $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; after one time constant the charge is $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, about $63\%$ of full charge, and the current has fallen to $37\%$ of its initial value.

Русский
Разрядка конденсатора: τ = RC
Зарядка конденсатора (RC)

Сети конденсаторов сводятся аналогично резисторам, но с переставленными правилами: при параллельном соединении емкости складываются ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), при последовательном — их обратные величины складываются; при этом последовательно соединенные конденсаторы должны иметь одинаковый заряд на каждой пластине благодаря закону сохранения заряда. Используйте эквивалентную емкость для анализа сети, затем разверните её обратно.

В RC-цепи правило контуров Кирхгофа дает дифференциальное уравнение

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

решениями которого являются экспоненты с постоянной времени $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

Ток максимален в первый момент и убывает — он никогда не «ждет», пока зарядится конденсатор. Выучите два предельных случая: при $t=0$ незаряженный конденсатор ведет себя как обычный провод (максимальный ток); спустя долгое время он полностью заряжается, ток в его ветви прекращается, и он ведет себя как разрыв. В любом стационарном режиме можно закрыть ветвь конденсатора пальцем, решить цепь резисторов, а затем считать напряжение на конденсаторе по элементу, на котором он установлен.

Заряд на конденсаторе экспоненциально убывает при разрядке
Заряд на конденсаторе экспоненциально убывает при разрядке

Разобранное решение. При напряжении источника $R=5.0\ \text{k}\Omega$, ёмкости $C=200\ \mu\text{F}$ и внутреннем сопротивлении батареи $10\ \text{V}$: установившийся ток $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; начальный ток $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; после одного временного постоянных заряд составляет $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, что примерно равно $63\%$ от полного заряда, а ток снижается до $37\%$ своего начального значения.

Электронная схема, собранная на макетной плате
Реальная схема на макетной плате: резистор и конденсатор вместе определяют скорость нарастания и спада напряжения
11.8

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English
  • Relate current to charge flow $I=\tfrac{dQ}{dt}$ and use $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ for resistance.
  • Apply Kirchhoff's laws (junction: charge; loop: energy) with consistent sign conventions.
  • Analyse RC circuits with calculus: charging/discharging give exponentials with time constant $\tau=RC$.
  • Combine resistors (series add, parallel reciprocal) and track power $P=IV=I^2R$.
  • At $t=0$ a capacitor acts like a wire; after a long time ($t\to\infty$) it acts like an open branch.
Русский
  • Связать ток с потоком заряда $I=\tfrac{dQ}{dt}$ и использовать $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ для сопротивления.
  • Применять законы Кирхгофа (для узла: заряд; для контура: энергия) с согласованной системой знаков.
  • Анализировать RC-цепи с помощью дифференциального исчисления: зарядка/разрядка дают экспоненциальные зависимости с постоянной времени $\tau=RC$.
  • Комбинировать резисторы (последовательное сложение, параллельное обратное значение) и отслеживать мощность $P=IV=I^2R$.
  • При $t=0$ конденсатор ведет себя как проводник; после длительного времени ($t\to\infty$) он ведет себя как разомкнутая ветвь.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP Физика C: Электричество и магнетизм⁩ · ⁨Больше тем в AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP Физика C: Электричество и магнетизм⁩⁩

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

IGCSE, A-Level & AP