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この計算を,定積分で行うときは次の計算になる. コンデンサに蓄えられるエネルギー【電験三種】 | エレペディア. 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.
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. 【電気工事士１種 過去問】直列接続のコンデンサに蓄えられるエネルギー(H23年度問1) - ふくラボ電気工事士. 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.
得られた静電エネルギーの式を,コンデンサーの基本式を使って式変形してみると… この3種類の式は問題によって使い分けることになるので,自分で導けるようにしておきましょう。 例題 〜式の使い分け〜 では,静電エネルギーに関する例題をやってみましょう。 このように,極板間隔をいじる問題はコンデンサーでは頻出です。 電池をつないだままのときと,電池を切り離したときで何が変わるのか(あるいは何が変わらないのか)を,よく考えてください。 解答はこの下にあります。 では解答です。 極板間隔を変えたのだから,電気容量が変化するのは当然です。 次に,電池を切り離すか,つないだままかで "変化しない部分" に注目します。 「変わったものではなく,変わらなかったものに注目」 するのは物理の鉄則! 静電エネルギーの式は3種類ありますが,変化がわかりやすいもの(ここでは C )と,変化しなかったもの((1)では Q, (2)では V )を含む式を選んで用いることで,上記の解答が得られます。 感覚が掴めたら,あとは問題集で類題を解いて理解を深めておきましょうね! 電池のする仕事と静電エネルギー 最後にコンデンサーの充電について考えてみましょう。 力学であれば,静止した物体に30Jの仕事をすると,その物体は30Jの運動エネルギーをもちます。 された仕事をエネルギーとして蓄えるのです。 ところが今回の場合,コンデンサーに蓄えられたエネルギーは電池がした仕事の半分しかありません! 残りの半分はどこへ?? 実は充電の過程において,電池がした仕事の半分は 導線がもつ 抵抗で発生するジュール熱として失われる のです! 電池のした仕事が,すべて静電エネルギーになるわけではありませんので,要注意。 それにしても半分も熱になっちゃうなんて,ちょっともったいない気がしますね(^_^;) 今回のまとめノート 時間に余裕がある人は,ぜひ問題演習にもチャレンジしてみてください! より一層理解が深まります。 【演習】コンデンサーに蓄えられるエネルギー コンデンサーに蓄えられるエネルギーに関する演習問題にチャレンジ!... 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. 次回予告 そろそろ回路の問題が恋しくなってきませんか? キルヒホッフの法則 中学校レベルから格段にレベルアップした電気回路の問題にチャレンジしてみましょう!...
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.
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