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[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. コンデンサのエネルギー. ( 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)
【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. コンデンサーの過渡現象 [物理のかぎしっぽ]. 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.
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!... 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!...
\(W=\cfrac{1}{2}CV^2\quad\rm[J]\) 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。
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