五等-電子工程基本電學大意109 年第 35 題單選題
如圖所示之並聯 RLC 電路,已知在 t<0 時所有電抗元件的初值能量均為零,其中 Is=24 mA,R=400 Ω,L=25 mH,C=25 μF;當開關(SW)在 t=0 時閉合。求當 t=0 時,並聯電壓 v(0) 為何?
A正確答案
並聯RLC電路,t<0所有初值能量為零,開關t=0閉合瞬間,電容電壓不能突變,故v(0⁺)=0V
為什麼答案是 A
t<0所有電抗元件初值能量均為零,意味電容初始電壓v_C(0⁻)=0V、電感初始電流i_L(0⁻)=0A。電容電壓不可瞬間突變,故v(0⁺)=0V。開關閉合瞬間,電流源Is雖然接入電路,但電容相當於短路(初始電壓為零),並聯節點電壓仍維持0V。
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完整詳解
Pro · 無限重點 並聯RLC電路,t<0所有初值能量為零,開關t=0閉合瞬間,電容電壓不能突變,故v(0⁺)=0V
初值能量全為零 → 電容初始電壓v_C(0⁻)=0V;電容電壓不能瞬間突變 → v(0⁺)=v_C(0⁺)=0V,答案直接選A
逐選項分析
A✓ 正確
t<0所有電抗元件初值能量均為零,意味電容初始電壓v_C(0⁻)=0V、電感初始電流i_L(0⁻)=0A。電容電壓不可瞬間突變,故v(0⁺)=0V。開關閉合瞬間,電流源Is雖然接入電路,但電容相當於短路(初始電壓為零),並聯節點電壓仍維持0V。
B✕ 陷阱
4.8V是誤用穩態計算:若將Is×R=24mA×400Ω=9.6V,再除以2得4.8V,此為錯誤計算,忽略了t=0瞬間電容電壓不能突變的物理特性。
C✕ 陷阱
9.6V是直流穩態值:Is×R=24mA×400Ω=9.6V,這是t→∞時的穩態電壓(電容開路、電感短路狀態),並非t=0瞬間的值,混淆了瞬態與穩態。
D✕
∞V在此電路中無意義。電容並聯在電路中,若電壓為無窮大表示能量無窮大,不符合物理現實,也與初值能量為零的條件矛盾。
並聯RLC電路各元件在t=0瞬間行為
| 元件 | 初始條件 | t=0⁺等效 | 原因 |
|---|
| 電容 C | v_C(0⁻)=0V | 短路(0V) | 電容電壓不能瞬間突變 |
| 電感 L | i_L(0⁻)=0A | 斷路(0A) | 電感電流不能瞬間突變 |
| 電阻 R | 無初值限制 | 正常導通 | 電阻無儲能,無突變限制 |
| 電流源 Is | 24mA | 提供24mA | 獨立電流源正常運作 |
本題最大陷阱是將穩態值(t→∞)誤當成t=0的初始值。Is×R=9.6V是直流穩態電壓,選C的考生犯此錯誤;選B則是9.6V再做錯誤處理。題目明確說「t<0初值能量均為零」,這是關鍵條件,電容電壓不能突變,t=0瞬間必為0V。