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高校物理テスト

コンデンサーと閉鎖系

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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(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

V1 ——————
μ



㋑より

V2 ——————
μ



㋒に代入して

+1
E=12= —————— Q+ —————— Q= —————————
μ μ μ



——————
μ



Qを中心にして式変形すると

μ
Q= —————— ×12=μ



.×10-5(C)




.×10-5
V1 —————————————————
.×10-6



.×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=C3μV’

①式に代入して

-1.6×10-5.0μV’+μV'=0

16μV’=1.6×10-5


1.6×10-5 1.6
V'= —————————————————— ————
×10-6 1.6




   
V'=.0(V)
   

         
Q'2=4.0μ×1.0
         

.0×10-6(C)

         
Q'3μ×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''1V''2・・・③

また,E=+V''2・・・④

③式+④式から
V''2


V''2 ———————————— .0(V)




        
V''1=12-.0=.0(V)
        

        
Q''=2.0μ×.0=μ
        

.×10-5(C)

         
Q''2=4.0μ×.0=μ
          


.×10-5(C)









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