[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. ( 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)
\(W=\cfrac{1}{2}CV^2\quad\rm[J]\) 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。
コンデンサにおける電場 コンデンサを形成する極板一枚に注目する. この極板の面積は \(S\) であり, \(+Q\) の電荷を帯びているとすると, ガウスの法則より, 極板が作る電場は \[ E_{+} \cdot 2S = \frac{Q}{\epsilon_0} \] である. 電場の向きは極板から垂直に離れる方向である. もう一方の極板には \(-Q\) の電荷が存在し, その極板が作る電場の大きさは \[ E_{-} = \frac{Q}{2 S \epsilon_0} \] であり, 電場の向きは極板に対して垂直に入射する方向である. したがって, この二枚の極板に挟まれた空間の電場は \(E_{+}\) と \(E_{-}\) の和であり, \[ E = E_{+} + E_{-} = \frac{Q}{S \epsilon_0} \] と表すことができる. コンデンサにおける電位差 コンデンサの極板間に生じる電場を用いて電位差の計算を行う. コンデンサの極板間隔は十分狭く, 電場の歪みが無視できるほどであるとすると, 電場は極板間で一定とみなすことができる. したがって, \[ V = \int _{r_1}^{r_2} E \ dx = E \left( r_1 – r_2 \right) \] であり, 極板間隔 \(d\) が \( \left| r_1 – r_2\right|\) に等しいことから, コンデンサにおける電位差は \[ V = Ed \] となる. コンデンサの静電容量 上記の議論より, \[ V = \frac{Q}{S \epsilon_0}d \] これを電荷について解くと, \[ Q = \epsilon_0 \frac{S}{d} V \] である. \(S\), \(d\), \( \epsilon_0\) はそれぞれコンデンサの極板面積, 極板間隔, 及び極板間の誘電率で決まるコンデンサに特有の量である. したがって, この コンデンサに特有の量 を 静電容量 といい, 静電容量 \(C\) を次式で定義する. \[ C = \epsilon_0 \frac{S}{d} \] なお, 静電容量の単位は \( \mathrm{F}\) であるが, \( \mathrm{F}\) という単位は通常使われるコンデンサにとって大きな量なので, \( \mathrm{\mu F}\) などが多用される.
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