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高考申論題 114年 [電力工程] 電路學

第 三 題

📖 題組:
二、某電感-電阻-開關電路圖如圖二所示,試計算: ( hint: i(t) = I_{SC} + (i(0) - I_{SC})e^{-(R_t/L)t}, e^{-1} = 0.368 )
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (三)

該電路圖在時間 t>1ms 之時間常數值與電感器之響應函數 i(t)?(10 分)
題目圖片

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進入第二個暫態區間($t > 1ms$)。首先評估 $t=1ms$ 時的切換動作:右側開關閉合,將第二個 2Ω 電阻併入電路中。解題需兩步:1. 計算新的初始條件,即 $t=1ms$ 瞬間的電感電流 $i(1ms)$。將 $t=1ms$ 代入上一題的函數中即可,並利用 $e^{-1} = 0.368$ 求出數值。2. 計算新的時間常數。此時兩個 2Ω 電阻是並聯關係(或是與電感形成並聯迴路),需重新計算等效電阻 $R_{eq}'$,然後求出新的時間常數 $\tau_2$。最後套用公式,注意時間變數需做平移(以 $t-1ms$ 代替 $t$)。

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【考點分析】 本題測驗時序切換(Sequential switching)下的一階暫態響應。核心在於利用前一狀態的結束點作為下一狀態的起始點,並重新計算改變後的電路參數。 【理論/法規依據】

小題 (一)

該電路中電感器之初始電流 i(0)?(10 分)
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辨識出這是一道帶有開關的一階RL暫態電路題。要求初始電流 $i(0)$,必須分析 $t < 0$ 的穩態電路。要回想電感在直流穩態下的特性(視為短路)。接著觀察圖二中 $t=0$ 開關的狀態:開關的箭頭顯示在 $t=0$ 時切換,因此 $t<0$ 時該開關是閉合的。此時 10A 電流源與電感相連。要確認電流如何流動,判斷 10A 是否全部流過電感。

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【考點分析】 本題測驗直流穩態下的電感特性,以及對暫態電路初始條件的求解。 【理論/法規依據】

小題 (二)

該電路圖在時間 1ms≥t>0 之時間常數(time constant)值與電感器之響應函數 i(t)?(5 分)
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此階段為第一個暫態區間($0 < t < 1ms$)。首先確認電路結構的變化:$t=0$ 時左側開關打開(或切換),使 10A 電源與主電路斷開。此時電路變成一個由 2mH 電感與 2Ω 電阻組成的無源(source-free)RL迴路。接著,計算這段時間的等效電阻 $R_{eq}$,套用時間常數公式 $\tau = L/R_{eq}$。最後利用題目給的 hint 公式(或無源響應公式 $i(t) = i(0)e^{-t/\tau}$)寫出響應函數。

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【考點分析】 測驗無源RL電路(Source-free RL circuit)的暫態響應分析及時間常數(Time constant)計算。 【理論/法規依據】

小題 (四)

請繪出電感器之響應函數 i(t)完整之響應圖。(5 分)
題目圖片

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需要將前面三題的結果以圖形化呈現。思考座標軸的標定:橫軸為時間 $t$(單位為 ms),縱軸為電流 $i(t)$(單位為 A)。需要標出關鍵點:$t=0$ 時的值(10A)、$t=1ms$ 時的值(3.68A),以及時間趨近無限大時的值(0A)。同時要呈現出兩段指數衰減曲線在斜率(時間常數)上的差異:第一段 $\tau=1ms$ 下降較陡,第二段 $\tau=2ms$ 衰減較平緩。

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【考點分析】 本題測驗考生將數學函數轉換為波形圖的視覺化能力,特別是對於不同時間常數下指數衰減速率變化的掌握。 【理論/法規依據】

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