図1
図1のような回路があり,コンデンサーにたくわえられる電気量(電荷)や
コンデンサーの電圧を計算する.
問1.
図2
先ず,図2のようにスイッチS1をオンにして,S2はオフの状態にする.
電圧E=12V,電気容量C1=2.0μF,C2=4.0μF,C3=12μFである.
μ:マイクロ,10-6,ここでは計算にもμを用いている.後で10-6に変換する.
図3
電荷を図3のように(C)とおくと,コンデンサーC1とC2の間が閉鎖系よりC1もC2も(C)になる.
また,コンデンサーにかかる電圧を図3のように,とおく.
Q=CVより
Q=2.0μ×・・・㋐,Q=4.0μ×・・・㋑
E=+・・・㋒
㋐より
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1 |
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V1= |
—————— |
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μ |
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㋑より
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1 |
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V2= |
—————— |
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μ |
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㋒に代入して
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1 |
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1 |
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+1 |
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E=12= |
—————— |
Q+ |
—————— |
Q= |
————————— |
Q |
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μ |
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μ |
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μ |
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= |
—————— |
Q |
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μ |
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Qを中心にして式変形すると
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μ |
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Q= |
—————— |
×12=μ |
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=.×10-5(C)
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.×10-5 |
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V1= |
————————————————— |
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.×10-6 |
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=.×10=.0(V)
V2=12-.0=.0(V)
図4
問2.次に図4のようにスイッチS1を開いてS2をオンにする.
すると,青ワクの部分が閉鎖系となり,+Q(C)が取り残される.
新たに図5のように(C),Q'3(C)とおく.
コンデンサーC1の右側は,-Q(C)が固定となり,緑ワクの閉鎖系では合計の電荷が0より
図5
図5より
-Q++Q'3=0・・・①となる.
また2つのコンデンサーC2,C3で電圧は等しくなる.
電圧をとおくと
Q'2=C2=.0μV’
Q'3=C3=μV’
①式に代入して
-1.6×10-5+.0μV’+μV'=0
16μV’=1.6×10-5
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1.6×10-5 |
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1.6 |
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V'= |
—————————————————— |
= |
———— |
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×10-6 |
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1.6 |
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V'=.0(V)
Q'2=4.0μ×1.0
=.0×10-6(C)
Q'3=μ×1.0=×10-6(C)
=.×10-5(C)
図6
問3.更に,スイッチS2を開いてからS1をオンにすると
図6のように閉鎖系ができ,C3の+(C)が取り残される.
図7
よって青ワクは,電荷の合計が-(C)になる.
新たな電荷を図7のように(C),(C),電圧を,とおくと
-+=-=1.2×10-5(C)・・・②
Q''=C1=.0μV''1
Q''2=C2=.0μV''2
②式に代入して
-.0μV''1+.0μV''2=12μ
両辺を2μで割って
-V''1+V''2=・・・③
また,E==+V''2・・・④
③式+④式から
V''2=
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V''2= |
———————————— |
=.0(V) |
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V''1=12-.0=.0(V)
Q''=2.0μ×.0=μ
=.×10-5(C)
Q''2=4.0μ×.0=μ
=.×10-5(C)