電流と回路の問題
起電力 、内部抵抗 の電池の両極に、抵抗値 の抵抗 をつないだ。さらに、電気容量 のコンデンサー を抵抗 と並列に( の両端に)接続した。はじめコンデンサーに電荷はなかったものとする。接続してから十分に時間がたったとき、コンデンサー に蓄えられている静電エネルギーは何 J か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、導線の抵抗は無視できるものとする。
この問題で使うもの
- コンデンサーを含む直流回路(定常状態)(説明と入口の問題)
- 電池の起電力と内部抵抗(説明と入口の問題)
- オームの法則と合成抵抗(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(16 技能)
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ヒント
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ヒント 1
十分に時間がたったとき、コンデンサーに電流は流れるかを考え、回路を流れる電流を求めよう。
ヒント 2
コンデンサーの電圧は、並列につながれた抵抗 の両端の電圧に等しい。静電エネルギーは で求められる。
ヒント 3
電流は なので、 の両端の電圧は となる。
答えと解説
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解説を読む
十分に時間がたつと、コンデンサーの充電が終わり、コンデンサーには電流が流れなくなる。したがって、電流は電池の内部抵抗と抵抗 だけを直列に流れる。
このときの電流を とすると、オームの法則(電池の内部抵抗を含めた回路全体の関係)より
コンデンサーは と並列につながれているので、コンデンサーの電圧 は の両端の電圧に等しい。
(電池の端子電圧 とも一致する。)
コンデンサーに蓄えられる静電エネルギー は なので
別解
十分時間がたつとコンデンサーに電流は流れず、電池と の直列回路とみなせる。電流は 。 の両端の電圧(=コンデンサーの電圧)は 。
静電エネルギーは 。
検算: で一致。