004 [F]のコンデンサには電荷 Q 1 =0. 3 [C]が蓄積されており,静電容量 C 2 =0. 002 [F]のコンデンサの電荷は Q 2 =0 [C]である。この状態でスイッチ S を閉じて,それから時間が十分に経過して過渡現象が終了した。この間に抵抗 R [Ω]で消費された電気エネルギー[J]の値として,正しいのは次のうちどれか。 (1) 2. 50 (2) 3. 75 (3) 7. 50 (4) 11. 25 (5) 13. 33 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成14年度「理論」問9 (考え方1) コンデンサに蓄えられるエネルギー W= を各々のコンデンサに対して適用し,エネルギーの総和を比較する. 前 W= + =11. コンデンサーに蓄えられるエネルギー-高校物理をあきらめる前に｜高校物理をあきらめる前に. 25 [J] 後(←電圧が等しくなると過渡現象が終わる) V 1 =V 2 → = → Q 1 =2Q 2 …(1) Q 1 +Q 2 =0. 3 …(2) (1)(2)より Q 1 =0. 2, Q 2 =0. 1 W= + =7. 5 [J] 差は 11. 25−7. 5=3. 75 [J] →【答】(2) (考え方2) 右図のようにコンデンサが直列接続されているものと見なし,各々のコンデンサにかかる電圧を V 1, V 2 とする.ただし,上の解説とは異なり V 1, V 2 の向きを右図のように決め, V=V 1 +V 2 が0になったら電流は流れなくなると考える. 直列コンデンサの合成容量は C= はじめの電圧は V=V 1 +V 2 = + = はじめのエネルギーは W= CV 2 = () 2 =3. 75 後の電圧は V=V 1 +V 2 =0 したがって,後のエネルギーは W= CV 2 =0 差は 3.
コンデンサを充電すると電荷 が蓄えられるというのは,高校の電気の授業で最初に習います. しかし,充電される途中で何が起こっているかについては詳しく習いません. このような充電中のできごとを 過渡現象 (かとげんしょう)と呼びます. ここでは,コンデンサーの過渡現象について考えていきます. 次のような,抵抗値 の抵抗と,静電容量 のコンデンサからなる回路を考えます. まずは回路方程式をたててみましょう.時刻 においてコンデンサーの極板にたまっている電荷量を ,電池の起電力を とします. [1] 電流と電荷量の関係は で表されるので,抵抗での電圧降下は ,コンデンサーでの電圧降下は です. キルヒホッフの法則から回路方程式は となります. [1] 電池の起電力 - 電池に電流が流れていないときの,その両端子間の電位差をいいます. では回路方程式 (1) を,初期条件 のもとに解いてみましょう. これは変数分離型の一階線形微分方程式ですので,以下のようにして解くことができます. これを積分すると, となります.ここで は積分定数です. について解くと, より, 初期条件 から,積分定数 を決めてやると, より であることがわかります. したがって,コンデンサにたまる電荷量 は となります.グラフに描くと次のようになります. また,(3)式を微分して電流 も求めておきましょう. 電流のグラフも描くと次のようになります. ところで私たちは高校の授業で,上のような回路を考えたときに電池のする仕事 は であると公式として習いました. コンデンサ | 高校物理の備忘録. いっぽう,コンデンサーが充電されて,電荷 がたまったときのコンデンサーがもつエネルギー ( 静電エネルギー といいました)は, であると習っています. 電池がした仕事が ,コンデンサーに蓄えられたエネルギーが . 全エネルギーは保存するはずです.あれ?残りの はどこに消えたのでしょうか? 謎解き さて,この謎を解くために,電池のする仕事について詳しく考えてみましょう. 起電力 を持つ電池は,電荷を電位差 だけ汲み上げる能力をもちます. この電池が微少時間 に電荷量 だけ電荷を汲み上げるときにする仕事 は です. (4)式の両辺を単純に積分すると という関係が得られます. したがって,電池が の電流を流すときの仕事率 は (4)式より さて,電池のした仕事がどうなったのかを,回路方程式 (1) をもとに考えてみましょう.
今、上から下に電流が流れているので、負の電荷を持った電子は、下から上に向かって流れています。 微小時間に流れる電荷量は、-IΔt です。 ここで、・・・・・・困りました。 電荷量の符号が負ではありませんか。 コンデンサの場合、正の電荷qを、電位の低い方から高い方に向かって運ぶことを考えたので、電荷がエネルギーを持ちました。そして、この電荷のエネルギーの合計が、コンデンサに蓄えられるエネルギーになりました。 でも、今度は、電荷が負(電子)です。それを電位の低いほうから高い方に向かって運ぶと、 電荷が仕事をして、エネルギーを失う ことになります。コンデンサの場合と逆です。つまり、電荷自体にはエネルギーが溜まりません・・・・・・ でも、エネルギー保存則があります。電荷が放出したエネルギーは何かに保存されるはずです。この系で、何か増える物理量があるでしょうか? 電流(又は、それと等価な磁束Φ)は増えますね。つまり、電子が仕事をすると、それは 磁力のエネルギーとして蓄えられます 。 気を取り直して、電子がする仕事を計算してみると、 図4;インダクタに蓄えられるエネルギー 電流が0からIになるまでの様子を図に表すと、図4のようになり、この三角形の面積が、電子がする仕事の和になります。インダクタは、この仕事を蓄えてエネルギーE L にするので、符号を逆にして、 まとめ コンデンサとインダクタに蓄えられるエネルギーを求めました。 インダクタの説明で、電荷の符号が負になってしまった時にはどうしようかと思いました。 でも、そこで考察したところ、電子が放出したエネルギーがインダクタに蓄えられる電流のエネルギーになることが理解できました。 コンデンサとインダクタに蓄えられるエネルギーが求まると、 LC発振器や水晶発振器の議論 ができるようになります。
\(W=\cfrac{1}{2}CV^2\quad\rm[J]\) コンデンサに蓄えられるエネルギーの公式 静電容量 \(C\quad\rm[F]\) のコンデンサに電圧を加えると、コンデンサにはエネルギーが蓄えられます。 図のように、静電容量 \(C\quad\rm[F]\) のコンデンサに \(V\quad\rm[V]\) の電圧を加えたときに、コンデンサに蓄えられるエネルギー \(W\) は、次のようになります。 コンデンサに蓄えられるエネルギー \(W\quad\rm[J]\) は \(W=\cfrac{1}{2}QV\quad\rm[J]\) \(Q=CV\) の公式を代入して書き換えると \(W=\cfrac{1}{2}CV^2=\cfrac{Q^2}{2C}\quad\rm[J]\) になります。 また、電界の強さは、次のようになります。 \(E=\cfrac{V}{d}\quad\rm[V/m]\) コンデンサに蓄えられるエネルギーの公式のまとめ \(Q=CV\quad\rm[C]\) \(W=\cfrac{1}{2}QV\quad\rm[J]\) \(W=\cfrac{1}{2}CV^2=\cfrac{Q^2}{2C}\quad\rm[J]\) 以上で「コンデンサに蓄えられるエネルギー」の説明を終わります。
直流交流回路(過去問)
2021. 03. 28
問題
リーダーシップの権威であるJ.
』など。 野村 辰寿 アニメーション作家。多摩美術大学グラフィックデザイン科卒業。現在、株式会社ロボットアニメーションスタジオ ケージ所属。さまざまな分野のアニメーションやキャラクターデザインを手がけ、絵本、イラストレーションでも活動中。代表作『ストレイシープ(フジテレビ)』『ジャム・ザ・ハウスネイル(NHK教育)』『ななみちゃん(NHK-BS)』など。
氷山は溶けている。もうすぐ崩れるぞ!!