v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Filtry RC i odpowiedź częstotliwościowa · 1 min czytania

Dlaczego dwa napięcia po 2,12 wolta dają razem 3 wolty?

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Szeregowy układ R = 5,00 kΩ i C = 20,0 nF zasila idealne źródło o amplitudzie 3,00 V przy f = fg. W stanie ustalonym zmierzono napięcia osobno na R i na C, bez obciążania elementów. Oblicz ich amplitudy i fazy względem źródła. Narysuj sumę wektorów napięć. Sprawdź prawo oczek w chwilach t = 0 i t = T/8, jeśli uwe(t) = 3,00 V cos(ωt).

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Dla napięcia kondensatora HC = 1/(1 + jx), a dla napięcia opornika HR = jx/(1 + jx). Przy x = 1 każde można zapisać jako sumę części rzeczywistej i urojonej.

Rozwiązanie

1. Wektory muszą sumować się do wektora źródła

Przy f = fg mamy x = 1. Przyjmujemy wektor napięcia źródła równy 3 V na dodatniej osi rzeczywistej. Wtedy:

\underline U_C=\frac{3}{1+j}\,\mathrm{V}=(1{,}5-j1{,}5)\,\mathrm{V},\qquad \underline U_R=3\,\mathrm{V}-\underline U_C=(1{,}5+j1{,}5)\,\mathrm{V}.

Każdy wektor ma moduł √(1,5² + 1,5²) V = 3/√2 V ≈ 2,121 V. Faza kondensatora wynosi −45°, a opornika +45°. Ich części urojone znoszą się, a rzeczywiste dodają do 3 V. Dodanie samych modułów dałoby 4,243 V i nie opisywałoby napięcia źródła.

Obwód RC oraz suma prostopadłych wektorów napięcia kondensatora i opornika przy częstotliwości granicznej.
Dla danych zadania pozioma składowa każdego wektora ma 1,5 V. Składowe pionowe mają przeciwne znaki. Powiększ rysunek.

2. Sprawdzamy wartości chwilowe

Przebiegi mają postać uC = (3/√2)V cos(ωt − π/4) oraz uR = (3/√2)V cos(ωt + π/4). Dla t = 0 obydwa kosinusy są równe 1/√2, więc uC = uR = 1,50 V. Suma 3,00 V zgadza się z chwilowym wejściem.

Dla t = T/8 mamy ωt = π/4. Kondensator osiąga maksimum 3/√2 V, a napięcie opornika jest równe zero. Źródło ma wtedy również 3/√2 V. Nie jest to chwila maksymalnego napięcia źródła, dlatego nie porównujemy jej z jego amplitudą 3,00 V.

3. Co właściwie mierzymy?

Napięcie na R oznacza różnicę potencjałów jego dwóch końców, a napięcie na C różnicę względem wspólnego powrotu. W zadaniu przyjęto idealny pomiar różnicowy bez zmiany połączeń. Nie należy utożsamiać obu odczytów z napięciami dwóch dowolnych punktów względem masy. Prawo oczek dotyczy zgodnie zorientowanych napięć chwilowych.

Wynik: obie amplitudy to 2,121 V; fazy −45° na C i +45° na R; suma wektorów wynosi 3,00 V.

Powiązana teoria

Filtr RC dolnoprzepustowy: amplituda i opóźnienie sinusoidy

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Zobacz amplitudę i fazę

Najpierw przewiduj: Ustaw częstotliwość równą f₀ = 1/(2πRC). Jaki ułamek amplitudy zostanie na wyjściu? Sprawdź też przesunięcie obu sinusoid.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Ruch uruchamiasz samodzielnie. Esc zatrzymuje animację; suwaki i przycisk „Jeden krok” pozwalają oglądać kolejne chwile bez odtwarzania.

Filtr dolnoprzepustowy RC z napięciem wyjściowym na kondensatorze.
Filtr dolnoprzepustowy RC z napięciem wyjściowym na kondensatorze. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

R₁ = 10 kΩ i C₁ = 0,1 µF dają RC = 0,001 s oraz f₀ ≈ 159,155 Hz. Przy tej częstotliwości pojedynczy nieobciążony filtr ma |H| ≈ 0,707; kaskada jednakowych stopni bez bufora ma |H| = 1/3.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Wykres przedstawia amplitudę napięcia, dlatego G_{\rm dB}=20\log_{10}|H|. f₀ = 1/(2πR₁C₁) jest częstotliwością odniesienia pojedynczego nieobciążonego stopnia. W układzie obciążonym lub w kaskadzie nie musi być częstotliwością graniczną całego układu. Amplituda wejścia wynosi 5 V, a nie 5 V wartości skutecznej.

Obciążenie RL jest równoległe do kondensatora wyjściowego. Zmniejsza wzmocnienie stałoprądowe do RL/(R₁ + RL). W kaskadach R₂ = kR₁ oraz C₂ = C₁/k, więc oba izolowane stopnie mają tę samą stałą RC. Bez bufora człon R₁C₂ pozostaje w mianowniku transmitancji i obniża amplitudę względem kaskady buforowanej.

Porównujemy sinusoidy w stanie ustalonym. Faza nie jest prędkością przesyłania informacji; wyprzedzenie fazowe w filtrze górnoprzepustowym nie oznacza reakcji na przyszłe zdarzenie. Pomijamy pasożytnicze elementy i tolerancje. Suwak czasu pokazuje t/T sinusoidy; odtwarzanie jest celowo spowolnione do jednego okresu na dwie sekundy.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.