4. 1 導体表面の電荷分布 4. 2 コンデンサー 4. 3 コンデンサーに蓄えられるエネルギー 4. 4 静電場のエネルギー 図 4 のように絶縁体の棒を帯電させて,金属球に近づけると,クー ロン力により金属中の自由電子は移動し,その結果,電荷分布の偏りが生じる.この場合,金属 中の電場がゼロになるように,自由電子はとても早く移動する.もし,電場がゼロでない とすると,その作用により自由電子は電場をゼロにするように移動する.すなわち,電場がゼロにな るまで電子は移動し続けるのである.この電場がゼロという状態は,外部の帯電させた絶縁体が作 る電場と金属内の自由電子が作る電場をあわせてゼロということである.すなわち,金属 内の自由電子は,外部からの電場をキャンセルするように移動するのである. コンデンサとインダクタに蓄えられるエネルギー | さしあたって. 内部の電場の状態は分かった.金属の表面ではどうなるか? 金属の表面での接線方向の 電場はゼロになる.もし,接線方向に電場があると,ここでも電子はそれをゼロにするよ うに移動する.従って,接線方向の電場はゼロにならなくてはならない.従って,金属の 表面では電場は法線方向のみとなる.金属から電子が飛び出さないのは,また別の力が働 くからである. 金属の表面の法線方向の電場は,積分系のガウスの法則から導くことができる.金属表面 の法線方向の電場を とする.金属内部には電場はないので,この法線方向の電場は 外側のみにある.そして,金属表面の電荷密度を とする.ここで,表面の微少面 積 を考えると,ガウスの法則は, ( 25) となる.従って, である.これが,表面電荷密度と表面の電場の関係である. 図 4: 静電誘導 図 5: 表面にガウスの法則(積分形)を適用 2つの導体を近づけて,各々に導線を接続させるとコンデンサーができあがる(図 6).2つの金属に正負が反対で等量の電荷( と)を与えたとす る.このとき,両導体の間の電圧(電位差) ( 27) は 3 積分の経路によらない.これは,場所 を基準電位にしている.2つの間の空間で,こ の積分が経路によらないのは以前示したとおりである.加えて,金属表面の接線方向にも 電場が無い.従って,この積分(電圧)は経路に依存しない.諸君は,これまでの学習や実 験で電圧は経路によらないことは十分承知しているはずである. また,電荷の分布の形が変わらなければ,電圧は電荷量に比例する.重ね合わせの原理が 成り立つからである.従って,次のような量 が定義できるはずである.この は静電容量と呼ばれ,2つの導体の形状と,その間の媒 質の誘電率で決まる.
[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. コンデンサに蓄えられるエネルギー. ( 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. ( 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)
充電されたコンデンサーに豆電球をつなぐと,コンデンサーに蓄えられた電荷が移動し,豆電球が一瞬光ります。 何もないところからエネルギーは出てこないので,コンデンサーに蓄えられていたエネルギーが,豆電球の光エネルギーに変換された,と考えることができます。 コンデンサーは電荷を蓄える装置ですが,今回はエネルギーの観点から見直してみましょう! 静電エネルギーの式 エネルギーとは仕事をする能力のことだったので,豆電球をつないだときにコンデンサーがどれだけ仕事をするか求めてみましょう。 まずは復習。 電位差 V の電池が電気量 Q の電荷を移動させるときの仕事 W は, W = QV で求められました。 ピンとこない人はこちら↓を読み直してください。 静電気力による位置エネルギー 「保存力」というワードを覚えていますか?静電気力は,実は保存力の一種です。ということは,位置エネルギーが存在するということになりますね!... さて,充電されたコンデンサーを豆電球につなぐと,蓄えられた電荷が極板間の電位差によって移動するので電池と同じ役割を果たします。 電池と同じ役割ということは,コンデンサーに蓄えられた電気量を Q ,極板間の電位差を V とすると,コンデンサーのする仕事も QV なのでしょうか? 結論から言うと,コンデンサーのする仕事は QV ではありません。 なぜかというと, 電池とちがって極板間の電位差が一定ではない(電荷が流れ出るにつれて電位差が小さくなる) からです! 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. では,どうするか? 弾性力による位置エネルギーを求めたときを思い出してください。 弾性力 F が一定ではないので,ばねのする仕事 W は単純に W = Fx ではなく, F-x グラフの面積を利用して求めましたよね! 弾性力による位置エネルギー 位置エネルギーと聞くと,「高いところにある物体がもつエネルギー」を思い浮かべると思います。しかし実は位置エネルギーというのはもっと広い意味で使われる用語なのです。... そこで今回も, V-Q グラフの面積から仕事を求める ことにします! 「コンデンサーがする仕事の量=コンデンサーがもともと蓄えていたエネルギー」 なので,これでコンデンサーに蓄えられるエネルギー( 静電エネルギー という )が求められたことになります!! (※ 静電エネルギーと静電気力による位置エネルギーは名前が似ていますが別物なので注意!)
コンデンサの静電エネルギー 電場は電荷によって作られる. この電場内に外部から別の電荷を運んでくると, 電気力を受けて電場の方向に沿って動かされる. これより, 電荷を運ぶには一定のエネルギーが必要となることがわかる. コンデンサの片方の極板に電荷 \(q\) が存在する状況下では, 極板間に \( \frac{q}{C}\) の電位差が生じている. この電位差に逆らって微小電荷 \(dq\) をあらたに運ぶために必要な外力がする仕事は \(V(q) dq\) である. したがって, はじめ極板間の電位差が \(0\) の状態から電位差 \(V\) が生じるまでにコンデンサに蓄えられるエネルギーは \[ \begin{aligned} \int_{0}^{Q} V \ dq &= \int_{0}^{Q} \frac{q}{C}\ dq \notag \\ &= \left[ \frac{q^2}{2C} \right]_{0}^{Q} \notag \\ & = \frac{Q^2}{2C} \end{aligned} \] 極板間引力 コンデンサの極板間に電場 \(E\) が生じているとき, 一枚の極板が作る電場の大きさは \( \frac{E}{2}\) である. したがって, 極板間に生じる引力は \[ F = \frac{1}{2}QE \] 極板間引力と静電エネルギー 先ほど極板間に働く極板間引力を求めた. では, 極板間隔が変化しないように極板間引力に等しい外力 \(F\) で極板をゆっくりと引っ張ることにする. 運動方程式は \[ 0 = F – \frac{1}{2}QE \] である. ここで両辺に対して位置の積分を行うと, \[ \begin{gathered} \int_{0}^{l} \frac{1}{2} Q E \ dx = \int_{0}^{l} F \ dx \\ \left[ \frac{1}{2} QE x\right]_{0}^{l} = \left[ Fx \right]_{0}^{l} \\ \frac{1}{2}QEl = \frac{1}{2}CV^2 = Fl \end{gathered} \] となる. 最後の式を見てわかるとおり, 極板を \(l\) だけ引き離すのに外力が行った仕事 \(Fl\) は全てコンデンサの静電エネルギーとして蓄えられる ことがわかる.
直流交流回路(過去問) 2021. 03. 28 問題
図のような回路において、静電容量 1 [μF] のコンデンサに蓄えられる静電エネルギー [J] は。 — 答え — 蓄えられる静電エネルギーは 4.
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