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地特三等申論題 110年 [電力工程] 電路學

第 一 題

📖 題組:
三、某電路充電期間之端點電壓與電流如下圖所示(其變化趨勢皆為線性):
題組圖片
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

試求傳送至電路的總電荷。(10 分)

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看到求總電荷的題目,首先聯想到電荷與電流的微積分關係:總電荷等於電流對時間的積分,也就是 i-t 曲線下所圍成的總面積。解題關鍵在於將電流圖分割成簡單幾何圖形(梯形與三角形)分別計算面積,並特別留意橫坐標時間的單位為「ks(千秒)」,在計算結果時切勿遺漏數量級。左側的電壓圖為解此題的干擾資訊,無需理會。

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【解題思路】利用總電荷為電流對時間積分的物理意義 $Q = \int i(t) dt$,求取 $i-t$ 曲線與時間軸所圍成之面積。 【詳解】 已知:

小題 (二)

試求傳送至電路的總能量。(15 分)

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本題核心在於計算電路吸收的總能量,須利用功率的定積分 W = ∫ v(t) i(t) dt 求解。解題時應先求出電壓與電流在各區段的線性方程式,將對應區間的函數相乘並進行積分,特別注意時間軸單位為 ks(千秒),結果需相應轉換以求得正確的焦耳 (J) 值。

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【解題思路】利用能量公式 W = \int p(t) dt = \int v(t)i(t) dt 求總能量。因為 v(t) 與 i(t) 均為分段線性函數,需先求出各區間的直線方程式,再將兩者相乘進行定積分,計算時需特別留意時間軸的單位為 ks ($10^3$ 秒)。 【詳解】 已知:令變數 \tau 為以 ks 為單位的時間(即 t = 10^3 \tau),則面積積分結果單位即為 V \cdot A \cdot ks = kW \cdot s = kJ。

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