これから,コンデンサー内部でのエネルギー密度は と考えても良 いだろう.これは,一般化できて,電場のエネルギー密度 は ( 38) と計算できる.この式は,時間的に変化する場でも適用できる. ホームページ: Yamamoto's laboratory 著者: 山本昌志 Yamamoto Masashi 平成19年7月12日
この計算を,定積分で行うときは次の計算になる. コンデンサーのエネルギー | Koko物理 高校物理. 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. 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.
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. コンデンサ | 高校物理の備忘録. 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. コンデンサのエネルギー. ○ 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.
演算処理と数式処理~微分方程式はコンピュータで解こう~. 山形大学, 情報処理概論 講義ノート, 2014., (参照 2017-5-30 ).
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. 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.
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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7の「ガレージのあるコートハウス / 邑楽郡千代田町」の完成見学会は 終了しました。 □2月13日 (土) 、14日 (日) 予約受付中 10:00〜17:00 Case-1. 高台に建つ「平屋」の住まい / 佐野市赤見町 自然豊かな高台に、夫婦と子供が暮らす 薪ストーブのある平屋の住まいです。自然に帰る素材をテーマに設備に頼りすぎない素材にこだわった住まいです。 家族構成:夫婦 + 子供1人 木造平屋建て 敷地面積:428. 05m²(129. 4坪) 延べ床面積:91. 50m²(27. 7坪) ※床下貯蔵庫床面積/8. 82m²(2. 7坪) ※ロ フ ト 床 面 積/6. 62m²(2. 0坪) □2月27日 (土) 、28日 (日) 予約受付中 10:00〜17:00 ※2件同時開催 Case-2. 週末を楽しむ「平屋」の住まい / 佐野市植下町 ロフトのある高天井のLDKを中心に中庭やギャラリーになる玄関ホール、デッキテラス等ゆとりのある空間構成の平屋の住まいです。 木造平屋建て 敷地面積:508. 87m²(154. 0坪) 延べ床面積:97. 05m²( 29. 4坪) Case-3. 猫と暮らす「平屋」の住まい / 佐野市植下町 シンプルモダンのすっきりとした外観とキャットウォークのある開放的なLDKに家族と猫がのびのびとくつろぐ穏やかな空間の平屋の住まいです。 家族構成:夫婦 + 子供1人+ 猫2匹 木造平屋建て 敷地面積:371. 足利・佐野｜NEW OPEN/NEW FACEの人気美容院・美容室・ヘアサロンの一覧｜ホットペッパービューティー. 96m²(112. 5坪) 延べ床面積:88. 60m²( 26. 8坪) ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ※Case-4, -5は4月、5月に開催予定です。 詳細が決まり次第、改めてご案内いたします。 新型コロナウイルス感染予防の為、 ご来場のお客様が集中しないよう事前予約制とさせていただきます。 見学をご希望の方は、電話またはお問い合わせフォームからご連絡下さい。 OPENHOUSEのお知らせ −2月に4軒の住まいの完成見学会を開催します− それぞれ個性のある想いの詰まった住まいが完成しました。 □2月6日(土)、7日 (日) 予約受付中 10:00〜17:00 ガレージのあるコートハウス / 邑楽郡千代田町 モダンな外観は2台分のガレージ、杉縁甲板型枠打放し塀、L型プラン、3つの庭などにより、周辺環境から適度な距離感を保ちプライベート性の高い居住空間とした2階建ての住まいです。内部はゆとりあるLDKを中心に、玄関をはさみ離れ風に独立した和室、リビング吹抜けと連続性を持たせた2階プライベート空間は広いバルコニーと繋がります。 家族構成:夫婦 + 子供3人 木造2階建て 敷地面積:329.
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