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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. コンデンサーのエネルギーが1/2CV^2である理由 静電エネルギーの計算問題をといてみよう. 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.
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.
【コンデンサに蓄えられるエネルギー】 静電容量 C [F],電気量 Q [C],電圧 V [V]のコンデンサに蓄えられているエネルギー W [J]は W= QV Q=CV の公式を使って書き換えると W= CV 2 = これらの公式は C=ε を使って表すこともできる. ■(昔,高校で習った解説) この解説は,公式をきれいに導けて,結論は正しいのですが,筆者としては子供心にしっくりこないところがありました.詳しくは右下の※を見てください. 図1のようなコンデンサで,両極板の電荷が0の状態から電荷が各々 +Q [C], −Q [C]に帯電させるまでに必要な仕事を計算する.そのために,図のように陰極板から少しずつ( ΔQ [C]ずつ)電界から受ける力に逆らって電荷を陽極板まで運ぶに要する仕事を求める. 一般に +q [C]の電荷が電界の強さ E [V/m]から受ける力は F=qE [N] コンデンサ内部における電界の強さは,極板間電圧 V [V]とコンデンサの極板間隔 d [m]で表すことができ E= である. したがって, ΔQ [C]の電荷が,そのときの電圧 V [V]から受ける力は F= ΔQ [N] この力に抗して ΔQ [C]の電荷を極板間隔 d [m]だけ運ぶに要する仕事 ΔW [J]は ΔW= ΔQ×d=VΔQ= ΔQ [N] この仕事を極板間電圧が V [V]になるまで足していけばよい. ○ 初めは両極板は帯電していないので, E=0, F=0, Q=0 ΔW= ΔQ=0 ○ 両極板の電荷が各々 +Q [C], −Q [C]に帯電しているときの仕事は,上で検討したように ΔW= ΔQ → これは,右図2の茶色の縦棒の面積に対応している. ○ 最後の方になると,電荷が各々 +Q 0 [C], −Q 0 [C]となり,対応する電圧,電界も強くなる. ○ 右図の茶色の縦棒の面積の総和 W=ΣΔW が求める仕事であるが,それは図2の三角形の面積 W= Q 0 V 0 になる. 図1 図2 一般には,このような図形の面積は定積分 W= _ dQ= で求められる. 以上により, W= Q 0 V 0 = CV 0 2 = ※以上の解説について,筆者が「しっくりこない」「違和感がある」理由は2つあります. 1つ目は,両極板が帯電していない状態から電気を移動させて充電していくという解説方法で,「充電されたコンデンサにはどれだけの電気的エネルギーがあるか」という問いに答えずに「コンデンサを充電するにはどれだけの仕事が必要か」という「力学的エネルギー」の話にすり替わっています.