この計算を,定積分で行うときは次の計算になる. W=− _ dQ= 図3 図4 [問題1] 図に示す5種類の回路は,直流電圧 E [V]の電源と静電容量 C [F]のコンデンサの個数と組み合わせを異にしたものである。これらの回路のうちで,コンデンサに蓄えられる電界のエネルギーが最も小さい回路を示す図として,正しいのは次のうちどれか。 HELP 一般財団法人電気技術者試験センターが作成した問題 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成21年度「理論」問5 なお,問題及び解説に対する質問等は,電気技術者試験センターに対してでなく,引用しているこのホームページの作者に対して行うものとする. コンデンサに蓄えられるエネルギー【電験三種】 | エレペディア. 電圧を E [V],静電容量を C [F]とすると,コンデンサに蓄えられるエネルギーは W= CE 2 (1) W= CE 2 (2) 電圧は 2E コンデンサの直列接続による合成容量を C' とおくと = + = C'= エネルギーは W= (2E) 2 =CE 2 (3) コンデンサの並列接続による合成容量は C'=C+C=2C エネルギーは W= 2C(2E) 2 =4CE 2 (4) 電圧は E コンデンサの直列接続による合成容量 C' は C'= エネルギーは W= E 2 = CE 2 (5) エネルギーは W= 2CE 2 =CE 2 (4)<(1)<(2)=(5)<(3)となるから →【答】(4) [問題2] 静電容量が C [F]と 2C [F]の二つのコンデンサを図1,図2のように直列,並列に接続し,それぞれに V 1 [V], V 2 [V]の直流電圧を加えたところ,両図の回路に蓄えられている総静電エネルギーが等しくなった。この場合,図1の C [F]のコンデンサの端子間電圧を V c [V]としたとき,電圧比 | | の値として,正しいのは次のどれか。 (1) (5) 3. 0 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成19年度「理論」問4 コンデンサの合成容量を C' [F]とおくと 図1では = + = C'= C W= C'V 1 2 = CV 1 2 = CV 1 2 図2では C'=C+2C=3C W= C'V 1 2 = 3CV 2 2 これらが等しいから C V 1 2 = 3 C V 2 2 V 2 2 = V 1 2 V 2 = V 1 …(1) また,図1においてコンデンサ 2C に加わる電圧を V 2c とすると, V c:V 2c =2C:C=2:1 (静電容量の逆の比)だから V c:V 1 =2:3 V c = V 1 …(2) (1)(2)より V c:V 2 = V 1: V 1 =2: =:1 [問題3] 図の回路において,スイッチ S が開いているとき,静電容量 C 1 =0.
静電容量が C [F] のコンデンサに電圧 V [V] の条件で電荷が充電されているとき,そのコンデンサがもつエネルギーを求めます.このコンデンサに蓄えられている電荷を Q [C] とするとこの電荷のもつエネルギーは となります(電位セクション 式1-1-11 参照).そこで電荷は Q = CV の関係があるので式1-4-14 に代入すると コンデンサのエネルギー (1) は式1-4-15 のようになります.つづいてこの式を電荷量で示すと, Q = CV を式1-4-15 に代入して となります. (1)コンデンサエネルギーの解説 電荷 Q が電位 V にあるとき,電荷の位置エネルギーは QV です.よって上記コンデンサの場合も E = QV にならえば式1-4-15 にならないような気がするかもしれません.しかし,コンデンサは充電電荷の大きさに応じて電圧が変化するため,電荷の充放電にともないその電荷の位置エネルギーも変化するので単純に電荷量×電圧でエネルギーを求めることはできません.そのためコンデンサのエネルギーは電荷 Q を電圧の変化を含む電圧 V の関数 Q ( v) として電圧で積分する必要があるのです. ここではコンデンサのエネルギーを電圧 v (0) から0[V] まで放電する過程でコンデンサのする仕事を考え,式1-4-15 を再度検証します. コンデンサの放電は図1-4-8 の系によって行います.放電電流は i ( t)= I の一定とします.まず,放電によるコンデンサの電圧と時間の関係を求めます. 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. より つづいて電力は p ( t)= v ( t)· i ( t) より つぎにコンデンサ電圧が v (0) から0[V] に放電されるまでの時間 T [s] を求めます. コンデンサが0[s] から T [s] までの時間に行った仕事を求めます.
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[問題5] 直流電圧 1000 [V]の電源で充電された静電容量 8 [μF]の平行平板コンデンサがある。コンデンサを電源から外した後に電荷を保持したままコンデンサの電極板間距離を最初の距離の に縮めたとき,静電容量[μF]と静電エネルギー[J]の値の組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。 静電容量 静電エネルギー (1) 16 4 (2) 16 2 (3) 16 8 (4) 4 4 (5) 4 2 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成23年度「理論」問2 平行平板コンデンサの電極板間隔とエネルギーの関係 により,電極板間隔 d が小さくなると C が大きくなる. ( C は d に反比例する.) Q が一定のとき C が大きくなると により, W が小さくなる. ( W は d に比例する.) なお, により, V も小さくなる. コンデンサーの過渡現象 [物理のかぎしっぽ]. ( V も d に比例する.) はじめは C=8 [μF] W= CV 2 = ×8×10 −6 ×1000 2 =4 [J] 電極板間隔を半分にすると,静電容量が2倍になり,静電エネルギーが半分になるから C=16 [μF] W=2 [J] →【答】(2)
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. 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.
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. 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.
回路方程式 (1)式の両辺に,電流 をかけてみます. 左辺が(6)式の仕事率の形になりました. 両辺を時間 で から まで積分します.初期条件は でしたので, となります.この式は,左辺が 電池のした仕事 ,右辺の第一項が時刻 までに発生した ジュール熱 ,右辺第二項が(時刻 で) コンデンサーのもつエネルギー です. (7)式において の極限を考えると,電池が過渡現象を経てした仕事 は最終的にコンデンサに蓄えられた電荷 を用いて と書けます.過渡的状態を経て平衡状態になると,コンデンサーと電圧と電荷量の関係式 が使えるので右辺第二項に代入して となります.ここで は静電エネルギー, は平衡状態に至るまでに抵抗で発生したジュール熱で, です. (11)式に先ほど求めた(4)式の電流 を代入すると, 結局どういうことか? 上の謎解きから,電池のした仕事 は,回路の抵抗で発生したジュール熱 と コンデンサに蓄えられたエネルギー に化けていたということが分かりました. つまりエネルギー保存則はきちんと成り立っていたわけです.
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